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(00320) 08.12.1999 14:20

SCIENCE berichtet: Erstmals Gasstrahl fokussiert


Bochum, 08.11.1999
Nr. 311

Mikroskopieren mit Materie statt Licht
RUB-Chemiker entwickeln neuartige "Linse"
SCIENCE berichtet: Erstmals Gasstrahl fokussiert


Der herkömmlichen Mikroskopie sind enge Grenzen gesetzt:
Lichtmikroskope können wegen der großen Wellenlänge des
Lichts sehr kleine Objekte nicht sichtbar machen, andere
Methoden, wie z. B. die Elektronenmikroskopie, können die
Probe beschädigen. Die Lösung dieser Probleme bringt ein
neues Verfahren, das Materiewellen für optische Geräte
nutzt: RUB-Chemikern um Prof. Dr. Christof Wöll
(Physikalische Chemie, Fakultät für Chemie der RUB) ist es
in Zusammenarbeit mit dem Prof. Dr. J. P. Toennies
(Max-Planck-Institut für Strö-mungsforschung, Göttingen),
Prof. Dr. R. B. Doak (Arizona State University) und Prof. G.
Schmahl (Universität Göttingen) erstmals gelungen, mit Hilfe
einer Fresnel-Zonenplatte einen Heliumgasstrahl zu
fokussieren. Seine Eigenschaften ermöglichen eine
zerstörungsfreie Mikroskopie mit atomarer Auflösung. Über
die in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse
(22. November 1999) berichtet nun auch SCIENCE in der
Ausgabe vom 3. Dezember .
Illustrationen im www

Illustrationen zu dieser Presseinformation können Sie unter
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pressemitteilungen/ (heutiges
Datum) herunterladen.

Bildeunterschriften: 

Oben: Schematischer Aufbau des Experiments zum Fokussieren
von Gasstrahlen mittels Zonenplatten. Der Abstand
Skimmer-Zonenplatte beträgt 1,069 Meter, der Abstand
Zonenplatte-Schlitz 0,43 Meter.

Unten: Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Zonenplatte
(Gesamtdurchmesser 0,27 Millimeter). Deutlich zu sehen sind
die freistehenden Zonenringe und die radialen Haltestege.
Für eine He-Atom Wellenlänge von 0,18 Nanometer beträgt die
Brennweite 150 Millimeter. Unten rechts: Detailansicht  der
feinen Strukturen am Rand der Zonenplatte. Die äußerste Zone
hat eine Breite von 100 Nanometer. [Bildquelle: R.B. Doak,
R.E. Grisenti, S. Rehbein, G. Schmahl, J.P. Toennies, and
Ch. Wöll, Phys. Rev. Lett. 83, 4229-4232 (1999)]


Wie Materie zur Welle wird

Viele optische Geräte, z. B. Fernrohre, Fotoapparate und
Mikroskope, funktionieren durch die Fokussierung von
Lichtstrahlen: Sie treffen auf die Linse auf, werden
abgelenkt oder gebeugt, und treffen sich hinter der Linse in
einem Punkt, dem Fokus. Für die Betrachtung sehr kleiner
Proben unter dem Mikroskop eignet sich das Licht aber nicht,
denn seine große Wellenlänge setzt der Detailgenauigkeit
schnell Grenzen. Die Wissenschaftler suchten also nach
Alternativen - und fanden sie: Was für Lichtstrahlen gilt,
gilt nach den Gesetzen der Quantenmechanik auch für
Gasstrahlen. Fasst man Atome und Moleküle des Gases statt
als Kügelchen als Wellen auf, dann kann man sie theoretisch
auch optisch nutzen. Für ihre Experimente wählten die
Forscher das Helium, da es sehr leicht ist und eine -
verglichen mit anderen Atomen und Molekülen - große
Wellenlänge hat. 


Winzige Linse lässt Gastrahlen durch

Ein Problem stellte die Fokussierung des Gases dar. Eine
normale Linse eignet sich nicht, da sie für Gas
undurchlässig ist. Eine andere Möglichkeit wäre, die Wellen
mit Hilfe eines Spiegels zu fokussieren; die Oberfläche des
Spiegels müsste aber so perfekt sein, dass seine Herstellung
sehr kompliziert wäre. Die Wissenschaftler wählten also
einen einfacheren Weg: Die Fresnel-Zonenplatte. Diese
"Linse" aus Silicium, die mittels
Elektronenstrahllithographie am Institut für Rönt-genphysik
der Universität Göttingen hergestellt wurde, besteht aus
mehreren tausend ineinander liegenden Ringen, die nur durch
Streben wie ein Spinnweben miteinander verbunden sind. Die
Abstände zwischen den Ringen werden von innen nach außen hin
immer kleiner. Das ganze Gebilde misst im Durchmesser nur
0,27 Millimeter. 

Der Detektor beweist: Am Fokus tummeln sich die Atome

In einer speziellen Apparatur am Max-Planck-Institut für
Strömungsforschung, Göttingen, ließen die Forscher einen
Heliumgasstrahl aus einer Düse durch einen Trichter auf die
Zonenplatte strömen. Die Gaswellen, die auf die Ringe
auftreffen, sollten zu einem Teil reflektiert, zu einem
anderen Teil beim Hindurchfließen zwischen den Ringen
gebeugt und so in einem Fokus gebündelt werden. Da das Gas
anders als Licht unsichtbar ist, brauchten die Experten
einen Detektor, um diese Theorie zu beweisen. Sie bewegten
das Gerät hinter der Zonenplatte hin und her, um die
Wirkungsweise der Zonenplatte zu testen. Und tatsächlich
fanden sie das charakteristische Zeichen für einen Fokus:
Eine sehr hohe Gaskonzentration an einen Punkt, die in der
Umgebung stark abfällt. Gegenüber herkömmlichen Methoden der
Mikroskopie, z. B. der Licht- und der Elektronenmikroskopie,
hat die neue Methode große Vorteile: Die geringe Wellenlänge
der Materiewellen erlaubt eine atomare Auflösung, ist also
wesentlich empfindlicher als die Lichtmethode. Außerdem
können die Heliumatome das Objekt nicht beschädigen, wie
Abtastmethoden oder die sehr energiereichen Elektronen.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Christof Wöll, Fakultät für Chemie der RUB, 44780
Bochum, Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14-182, email:
Woell@pc.ruhr-uni-bochum.de


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Mit freundlichen Gruessen

Dr. Josef Koenig
RUB - Ruhr-Universitaet Bochum
- Pressestelle -
44780 Bochum
Tel: + 49 234 32-22830, -23930
Fax: + 49 234 32-14136
Josef.Koenig@ruhr-uni-bochum.de

Schauen Sie doch bei uns mal rein:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/pressestelle

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