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Versteckspiel in der Nanowelt

Dienstag, 24.11.2020

Eine neuartige, nanometrologische Methode, welche die Lokalisierung einzelner Nanoteilchen mit höchster Genauigkeit erlaubt, wurde kürzlich von Forschern der Universität Graz und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen, Deutschland vorgestellt. Nun ist es der Gruppe zusätzlich gelungen, die Leistungsdimension dieses experimentellen Verfahrens weiter auszubauen.

Die hochgenaue Lokalisierung einzelner Nanopartikel oder aktiver Emitter ist von höchster Bedeutung für diverse Forschungsfelder, wie z.B. hochauflösende Mikroskopie, optische Manipulation und Sensoren oder Lithografie. In den vergangenen Jahrzehnten wurde eine Vielzahl interessanter und leistungsstarker Methoden zur Lokalisierung vorgestellt.

In jüngster Zeit wurde ein grundlegend anderer, rein optischer Ansatz entwickelt, welcher auf der Wechselwirkung von strukturiertem Licht mit strukturierter Materie basiert. In den entsprechenden Studien [1,2] verwendete das Team um Peter Banzer polarisationsangepasste Lichtfelder. Bevor sie auf Dimensionen im Nanobereich fokussiert werden, ähnelt die Form der Strahlen der eines Donuts - eine direkte Folge von radial und azimutal ausgerichteten elektrischen und magnetischen Feldvektoren (ähnlich den Speichen oder Reifen eines Rades). Im fokalen Volumen entstehen jedoch komplexere, dreidimensionale ‚Landschaften‘ des elektromagnetischen Feldes, wobei die Feldvektoren nun in alle möglichen Richtungen zeigen. Wenn ein Nanopartikel in einer solchen Feldverteilung platziert wird, hängt seine optische Wechselwirkung von der tatsächlichen Position im Strahl ab. Die Kombination maßgeschneiderter Felder und exotischer Teilcheneigenschaften ermöglicht dabei das Aufprägen der Partikelposition in das weit von der Probe entfernt gemessene Streumuster. Im Idealfall sollte eine winzige Änderung der Teilchenposition zu einer signifikanten Änderung des Fernfeldmusters führen. Um die Empfindlichkeit gegenüber einer Partikelverschiebung drastisch zu erhöhen, nutzte das Team einen Trick, der mit einem faszinierenden Phänomen zusammenhängt. Letzteres wurde ursprünglich von Milton Kerker im Jahre 1983 vorgestellt [3]. In der Originalversion ist diese Kerker-Streuung ein stark in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung weisender Streuprozess, der unmittelbar aus der Interferenz elektrischer und magnetischer Dipolemission resultiert. Durch Ausnutzung der dreidimensionalen Fokusfeldmuster, die durch starke Fokussierung erzeugt wurden, modifizierte das Team den Kerker-Effekt derart, dass eine laterale Richtungsabhängigkeit, d.h. orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des Strahls, erreicht werden kann [1,2]. Die Partikelposition ist in die Stärke und das Vorzeichen der Richtstreuung eingeprägt. Überraschenderweise ermöglicht dieses recht einfache Schema die Lokalisierung eines Nanopartikels mit räumlicher Auflösung im sub-Angström Bereich (< 0,1 nm) [2].

In zwei kürzlich veröffentlichten Artikeln [4,5] hat das Team nun dieses neuartige Schema auf ein völlig neues Level heben können. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass diese Methode nicht nur eine extrem hohe räumliche Auflösung aufweist, sondern die Partikelposition auch mit sehr hoher Geschwindigkeit verfolgt werden kann [4], und dies ganz ohne die Notwendigkeit einer Kamera. Darüber hinaus kann die Größe des Positionssensors durch photonische Integration drastisch reduziert werden [5] was einen wichtigen Schritt hin zur Realisierung vollständig integrierter nanometrologischer Sensorik darstellt (siehe Bild). Diese Studien erlauben einen kleinen Einblick in die faszinierenden Möglichkeiten, die durch die Wechselwirkungen strukturierter Lichtfelder mit Nanomaterialien möglich werden. Die zugrunde liegenden, optischen Interaktionsschemata ebnen den Weg für die Entwicklung neuartiger Methoden und Anwendungen in der Nanometrologie, zur Lichtsteuerung und der Mikroskopie. Diese und andere Beispiele werden derzeit in den Laboratorien der neuen Gruppe Optik von Nano- und Quantenmaterialien (Institut für Physik an der UniGraz) untersucht.

Dieses Projekt ist Teil des Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Kommission (Future and Emerging Technologies Open Grant Agreement Super‐Pixels (No. 829116). 

[1] M. Neugebauer et al., Polarization-controlled directional scattering for nanoscopic position sensing, Nat. Commun. 7, 11286 (2016)
[2] A. Bag et al., Transverse Kerker scattering for Angström localization of nanoparticles, Phys. Rev. Lett. 121, 193902 (2018)
[3] M. Kerker et al., JOSA 73, 765 (1983)
[4] P. Beck et al., Toward High‐Speed Nanoscopic Particle Tracking via Time‐Resolved Detection of Directional Scattering, Laser Photonics Rev. 14, 2000110 (2020)
[5] A. Bag et al., Towards fully integrated photonic displacement sensors, Nat. Commun. 11, 2915 (2020)

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