Mikroskopieren mit einzelnen Ionen

Neuartiges Ionenmikroskop nutzt einzelne Ionen, um Abbildungen mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu erzeugen

26.08.2016 - Deutschland

Wissenschaftler um Georg Jacob von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben ein Ionenmikroskop entwickelt, das nur mit exakt einem Ion pro Bildpixel arbeitet. Zur Demonstration dieses Mikroskops zeigten die Forscher Bilder von perforierten Objekten in Nanometer-Auflösung. Ionen und Elektronen werden oft in der Mikroskopie eingesetzt, weil sie eine sehr viel höhere Auflösung als das sichtbare Licht ermöglichen. Bei den bisher dazu benötigten hohen Fluss-Raten können diese geladenen Teilchen allerdings die jeweilige Probe negativ beeinflussen oder sogar beschädigen.

In der herkömmlichen Transmissionsmikroskopie werden die von einer Quelle emittierten Teilchen auf einen kleinen Bereich eines Untersuchungsobjekts hin beschleunigt und anschließend von einem Detektor erfasst, falls sie das Objekt durchdringen. Sowohl die Quelle als auch die Detektoren unterliegen Störsignalen, einem so genannten Rauschen, weshalb Forscher typischerweise den Ionenfluss erhöhen, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Problematisch ist hierbei, dass viele Objekte, beispielsweise biologische Proben, einer derart hohen Ionenbestrahlung nicht standhalten können.

Das von Georg Jacob und seinen Kollegen entwickelte Ionenmikroskop erreicht ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei gleichzeitig kleinstmöglicher Ionenfluss-Rate. Dazu werden zunächst einzelne Kalzium-Ionen in einer elektrischen Falle gefangen. Entsprechend angelegte elektrische Felder extrahieren die Ionen und erzeugen einen wenige Nanometer großen Fokusbereich, durch den das Zielobjekt schrittweise bewegt wird.

Bei jedem Schritt oder "Pixel" wird ein einzelnes Ion aus der Falle emittiert und entweder durch das Objekt blockiert oder von dem dahinter stehenden Detektor registriert. Weil die Emissionszeit des Ions präzise bestimmt ist, können die Forscher das natürliche Rauschen des Detektors ausschalten, da nur Ereignisse genau bei der erwarteten Ankunftszeit gezählt werden. Auf diese Weise lässt sich die "Dunkelzählrate" im Detektor um ein Millionenfaches verringern. Mit weniger als 300 Ionen gelang es dem Team, die Position eines 1 Mikrometer großen kreisförmigen Lochs in einer Diamantprobe mit einer Genauigkeit von 2,7 Nanometern zu bestimmen. In Zukunft soll diese neuartige Mikroskopie dazu eingesetzt werden, einzelne Atome mit Nanometer-Genauigkeit in einem Festkörper zu platzieren, um Bauelemente für Speicher und Prozessoren mit Quantenbits herzustellen. Hierzu arbeitet das Team mit Forschern aus Australien, Stuttgart, Ulm und Kassel zusammen.

Originalveröffentlichung

Georg Jacob, Karin Groot-Berning, Sebastian Wolf, Stefan Ulm, Luc Couturier, Samuel T. Dawkins, Ulrich G. Poschinger, Ferdinand Schmidt-Kaler, and Kilian Singer; "Transmission Microscopy with Nanometer Resolution Using a Deterministic Single Ion Source"; Physical Review Letters; 117, 20. Juli 2016

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