Vorbild Urknallanalyse: Neue Methode erlaubt 3D-Blick auf Atome

Antwerpen (Belgien)/Hsin Chu (Taiwan) – Aus der Rotverschiebung des Spektrums von Galaxien im Universum können Astronomen auf die Entfernung von der Erde schließen. Diese Methode übertrugen zwei Physiker nun auf ein Elektronenmikroskop. Mit ihrer „Big-Bang-Tomografie“ bestimmten sie nicht nur die Umrisse, sondern auch die Höhe einzelner Atome in einer hauchdünnen Kohlenstoffschicht. In der Zeitschrift „Nature“ erläutern sie, wie ihnen dieser Sprung zur 3D-Mikroskopie im Detail gelang.

Regelmäßige Anordnung von Atomen, dargestellt als kleine Punkte. Die meisten sind gelb, nur vereinzelt sind einige rote zu sehen.
Atome mit unterschiedlichen Höhen

„Dieser Ansatz ist ähnlich zum Big-Bang-Konzept in der Kosmologie, das von einem linearen Zusammenhang zwischen Abstand und Geschwindigkeit entfernter Galaxien ausgeht“, sagt Fu-Rong Chen von der Nationalen Tsing Hua Universität in Taiwan. Gemeinsam mit Dirk Van Dyck von der belgischen Universität Antwerpen betrachtete er nun in einem Elektronenmikroskop gestreute Elektronen statt gigantischer Galaxien. Lieferten die Elektronen bisher nur ein flaches, zweidimensionales Bild einer Probe mit atomarer Genauigkeit, erlaubte die Messung der Phasengeschwindigkeit die Berechnung einer dreidimensionalen Struktur.

Eng begrenzt gilt auch für Elektronen ein linearer Zusammenhang zwischen Phasengeschwindigkeit und Entfernung. Die Analyse von Elektronen, die von einer atomar dünnen Kohlenstoffschicht aus Graphen zurück gestreut wurden, lieferte so eine extrem genaue Höhenangabe für die betrachteten Atome mit einer Präzision von einigen Milliardstel Millimetern.

Zwar existieren bereits heute andere Mikroskopiemethoden, die einen dreidimensionalen Blick auf eine Probe ermöglichen. Doch sie benötigen immer Messungen aus zwei verschiedenen Winkeln. Das neue „Big-Bang-Mikroskop“ dagegen kommt mit einer einzigen Messung aus einem Winkel aus. Schnellere und extrem hoch aufgelöste 3D-Aufnahmen könnten damit in Zukunft möglich werden.