Superobjektivierung ohne Superlinse: Physiker bringen Mikroskope an ihre Grenzen

Seit Antonie van Leeuwenhoek im späten siebzehnten Jahrhundert die Welt der Bakterien durch ein Mikroskop entdeckte, haben die Menschen versucht, tiefer in die Welt des Winzigkleinen zu schauen. Das ist nun Forschenden von der Universität Sydney (Australien) gelungen. Sie konnten eine Superobjektivierung mit minimalen Verlusten erreichen.

Es gibt physikalische Grenzen dafür, wie genau wir ein Objekt mit herkömmlichen optischen Methoden untersuchen können. Das wird als „Beugungsgrenze“ bezeichnet und hängt damit zusammen, dass sich Licht als Welle manifestiert. Ein fokussiertes Bild kann niemals kleiner sein als die Hälfte der Wellenlänge des Lichts, das zur Beobachtung eines Objekts verwendet wird.

Alle Versuche, diese Grenze mit „Superlinsen“ zu durchbrechen, scheiterten bisher an den extremen optischen Verlusten. Diese machen die Linsen undurchsichtig. Jetzt haben Physiker der Universität Sydney einen neuen Weg aufgezeigt, um Superobjektivierung mit minimalen Verlusten zu erreichen. Dabei durchbrechen sie die Beugungsgrenze um einen Faktor von fast vier. Der Schlüssel zum Erfolg lag darin, die Superlinse ganz zu entfernen. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.

Die Arbeit sollte es Wissenschaftlern ermöglichen, die Mikroskopie mit Superauflösung weiter zu verbessern, so die Forscher. Sie könnte die Bildgebung in so unterschiedlichen Bereichen wie der Krebsdiagnostik, der medizinischen Bildgebung oder der Archäologie und Forensik verbessern.

Der Hauptautor der Forschungsarbeit, Dr. Alessandro Tuniz von der School of Physics und dem University of Sydney Nano Institute, erklärte: „Wir haben jetzt einen praktischen Weg gefunden, Superobjektivierung ohne Superlinse zu realisieren. Dazu haben wir unsere Lichtsonde weit entfernt vom Objekt platziert und sowohl hoch- als auch niedrigauflösende Informationen gesammelt. Dadurch, dass wir weiter weg messen, stört die Sonde nicht die hochauflösenden Daten, ein Merkmal früherer Methoden.“

In früheren Experimenten wurde versucht, Superlinsen aus neuartigen Materialien herzustellen. Die meisten Materialien absorbieren jedoch zu viel Licht, um die Superlinse nützlich zu machen. „Wir überwinden dieses Problem, indem wir die Superlinse als Nachbearbeitungsschritt auf einem Computer nach der eigentlichen Messung durchführen. So entsteht durch die selektive Verstärkung von evaneszenten oder verschwindenden Lichtwellen ein „wahrheitsgetreues“ Bild des Objekts“, erörterte Tuniz.

Co-Autor, Prof. Boris Kuhlmey, ebenfalls von der School of Physics and Sydney Nano, verdeutlichte: „Unsere Methode könnte zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in Blättern mit höherer Auflösung eingesetzt werden oder bei fortgeschrittenen Mikrofertigungstechniken, wie der zerstörungsfreien Bewertung der Integrität von Mikrochips, von Nutzen sein. Und die Methode könnte sogar eingesetzt werden, um verborgene Schichten in Kunstwerken aufzudecken, was sich vielleicht als nützlich erweisen könnte, um Kunstfälschungen oder versteckte Werke aufzudecken.“

Normalerweise wird bei Superobjektivierungs-Experimenten versucht, die hochauflösenden Informationen genau zu erfassen. Das liegt daran, dass diese nützlichen Daten mit der Entfernung exponentiell abnehmen. So werden sie schnell von den niedrig aufgelösten Daten, die nicht so schnell abnehmen, überlagert. Bewegt man die Sonde jedoch so nahe an ein Objekt heran, wird das Bild verzerrt. „Indem wir unsere Sonde weiter weg bewegen, können wir die Integrität der hochauflösenden Informationen aufrechterhalten und eine Nachbeobachtungstechnik verwenden, um die niedrig aufgelösten Daten herauszufiltern“, so Kuhlmey.

Für die Forschung wurde Licht mit Terahertz-Frequenz bei Millimeter-Wellenlänge verwendet, also in einem Bereich des Spektrums zwischen dem sichtbaren Licht und den Mikrowellen. Kuhlmey führte aus: „Dies ist ein sehr schwieriger Frequenzbereich, mit dem man arbeiten kann, aber ein sehr interessanter, denn in diesem Bereich könnten wir wichtige Informationen über biologische Proben erhalten, wie zum Beispiel die Struktur von Proteinen, die Hydratationsdynamik oder für die Verwendung in der Krebsbildgebung.“

„Diese Technik ist ein erster Schritt, um hochauflösende Bilder zu erhalten, ohne dass das Objekt verzerrt wird, wenn man sich in sicherer Entfernung befindet. Unsere Technik könnte auch in anderen Frequenzbereichen eingesetzt werden. Wir gehen davon aus, dass diese Technik für jeden, der hochauflösende optische Mikroskopie betreibt, von Interesse sein wird“, wie Tuniz abschließend hinzufügte.