Fluktuationen mit Röntgenmikroskop sichtbar gemacht

Ein Schema des experimentellen Aufbaus. Röntgenstrahlen werden gebündelt und treffen auf ein Testobjekt, das mit Nanometer-Präzision durch den Strahl bewegt wird. Die gestreuten Röntgenstrahlen werden von einem Detektor aufgefangen. Derartige Streubilder werden dann zu einem Bild der Probe ‹rekonstruiert›. (Foto: PSI)

Villigen – Röntgenstrahlen bieten Einsichten in Strukturen, die mit Lichtmikroskopie nicht abgebildet werden können. Mit ihnen kann die Nanostruktur von so unterschiedlichen Objekten untersucht werden wie einzelne Zellen oder magnetische Datenträger. Hochauflösende Bilder sind jedoch nur möglich, wenn sowohl Mikroskop als auch das Untersuchungsobjekt extrem stabil sind.

Forscher der Technischen Universität München und des Paul Scherrer Instituts in Villigen, Schweiz, zeigten nun, wie man diese Bedingungen lockern kann, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen. Auch hochdynamische Systeme, wie z.B. magnetische Fluktuationen, wie sie die Lebensdauer von Daten auf Festplatten einschränken, können mit der neuen Methodik untersucht werden. Die Forscher demonstrierten ihre Methode mit einem Experiment an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) und anhand von Computersimulationen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Einzigartige Einblicke
Sowohl in den Lebens- als auch in den Materialwissenschaften bietet Mikroskopie mit Röntgenstrahlen einzigartige Einblicke. Um jedoch Nanostrukturen wie den Aufbau biologischer Zellen, die poröse Struktur von Zement oder Speicherfelder von magnetischen Datenträgern abzubilden, müssen Röntgenmikroskope möglichst vibrationsarm sein. Zusätzlich müssen Röntgenfilter aus der ankommenden Röntgenstrahlung den Anteil mit den richtigen Eigenschaften auswählen – zum Beispiel der richtigen Wellenlänge. „Das Röntgenlicht, das wir verwenden“, erklärt Andreas Menzel, Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut, „muss selbst sehr gut charakterisiert sein. Ansonsten können wir nicht garantieren, dass unsere Bilder genau das wiedergeben, was wir untersuchen.“

Beiträge verschiedener Wellenlängen getrennt
Menzel und Pierre Thibault von der Technischen Universität München haben nun eine Analysemethode entwickelt, die trotz Vibrationen oder Fluktuationen zuverlässige Bilder produziert. Die Methode basiert auf einer Technik namens „Ptychographie“, die in den 1960er Jahren für die Elektronenmikroskopie erfunden wurde. Sie wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt und wird inzwischen auch für hochauflösende Mikroskopie sowohl mit sichtbarem als auch mit Röntgenlicht angewendet. Die neuen Ergebnisse ermöglichen es nun beispielsweise, in einem Bild Effekte voneinander zu unterscheiden, die von Lichtanteilen mit verschiedenen Wellenlängen stammen. „Neben dem Einsatz in bildgebenden Verfahren“, erläutert Pierre Thibault, „hat unsere Analyse eine grundlegende Verwandtschaft zu anderen Fachbereichen offenbart. Mikroskopie und Wissenschaftsdisziplinen, wie z.B. Quanteninformatik, die bisher als denkbar unabhängig galten, können voneinander profitieren.”

Fluktuationen sichtbar gemacht
Das wahrscheinlich bedeutsamste Ergebnis der Arbeit ist, dass nun eine ganze Klasse von Objekten abgebildet werden kann, die man bisher nicht gut hat untersuchen können. „Wir können nicht nur Vibrationen im Mikroskop kompensieren“, sagt Andreas Menzel, „Auch wenn sie viel zu schnell sind, als dass wir sie mit einzelnen Momentaufnahmen festhalten könnten, können wir Fluktuationen der Probe selber charakterisieren.“ Eine mögliche Anwendung besteht darin, die wechselnde Magnetisierung einzelner Bits in magnetischen Speichermedien mit hoher Speicherdichte zu untersuchen.

Computersimulation als Test 
„Um uns zu vergewissern, dass die Bilder, die wir produzierten, tatsächlich die Proben und ihre Dynamik genau wiedergaben“, so Pierre Thibault, „führten wir zudem Computersimulationen durch. Sie bestätigten, dass sowohl Effekte des Instruments als auch der Proben selbst, wie z.B. Ströme, Schaltvorgänge oder bestimmte Quantenzustände, charakterisiert werden können.“ Die neue Analyse verbindet die Charakterisierung dynamischer Zustände mit hochauflösender Mikroskopie. Anwendungen werden erwartet z.B. in der Erforschung der Wechselwirkung einzelner magnetischer Bits oder auch ihrer thermischen Fluktuationen, wie sie letztlich die Lebensdauer magnetischer Datenspeicherung bestimmen. (PSI/mc/pg)