Fenster in den Mikrokosmos: Neue Methode liefert Echtzeitvideos von Fluktuationen

Feststoffe sehen so aus und fühlen sich auch so an, wie sie heißen: fest. Doch in ihrem Innern, in ihren kleinsten Dimensionen, sind sie von Fluktuationen gekennzeichnet, ständigem Wechsel. Einblicke in die Nanowelt sind allerdings schwer zu gewinnen, vor allem, wenn auch bewegte Bilder der Fluktuationsmuster festgehalten werden sollen.

Ein internationales Forschungsteam um Stefan Eisebitt und Bastian Pfau vom Max-Born-Institut in Berlin (MBI) stellt jedoch nun im Fachmagazin „Nature“ eine Mikroskopiemethode vor, mit der Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos aufgezeichnet werden können.

Für jede scharfe Aufnahme benötigt man ausreichende Beleuchtung. Für besonders kleine bewegte Objekte und die notwendigen besonders kurzen Belichtungszeiten, braucht man sehr viel Beleuchtung. Für Aufnahmen von Fluktuationen, die sehr schnell sein können und sich auf der Größe von Millionstel Millimetern abspielen, wurde sie bislang von Freien-Elektronen-Lasern bereitgestellt, den intensivsten heute verfügbaren Röntgenquellen.

Doch schon einzelne Schnappschüsse, die mit ihrer Hilfe aufgenommen werden, zerstören unweigerlich die Probe. An einen aus vielen Einzelbildern bestehenden Film der Vorgänge war bislang nicht zu denken.

Das Wissenschaftsteam aus Forschenden vom MBI, vom Helmholtz-Zentrum Berlin sowie vom Brookhaven National Laboratory und dem Massachusetts Institute of Technology in den USA hat nun einen Algorithmus entwickelt, der auch in nur schwach belichteten Aufnahmen Muster erkennen kann, teilte das MBI mit. Das „Coherent Correlation Imaging (CCI, kohärente Korrelations-Bildgebung) genannte Verfahren lieferte Bilder aus dünnen magnetischen Schichten, wie sie in ähnlicher Form in heutigen Festplatten eingesetzt werden, um mit den unterschiedlich magnetisierten Bereichen Daten als Bits „0“ und „1“ zu kodieren.

Um ein Video erstellen zu können, nahmen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen Reihen von Einzelbildern auf und verringerten die Beleuchtung so weit, dass die Probe intakt blieb. Das führte zwar dazu, dass das Fluktuationsmuster in einer einzelnen Aufnahme nicht mehr zu erkennen war. Die Aufnahmen enthalten aber genug Informationen, um sie voneinander zu unterscheiden und in Gruppen einteilen zu können.

Mithilfe des Algorithmus analysierte das Team Korrelationen zwischen den Aufnahmen. Die Aufnahmen in jeder Gruppe ähneln sich stark und stammen deshalb mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit von einem bestimmten Fluktuationsmuster. Erst alle in einer Gruppe zusammengefassten Aufnahmen ergeben zusammen das scharfe Bild der Probe. Das Team konnte dann aber den Film zurück spulen und jeder Aufnahme ein scharfes Bild des Zustands der Probe zu diesem Zeitpunkt zuordnen.

Die Forschenden wollen nun mit der Methode noch schnellere Prozesse auf kleinsten Längenskalen untersuchen. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Rolle von Fluktuationen für die Eigenschaften moderner Materialen besser zu verstehen und damit auch neue Wege zu entdecken, wie sie sich nutzen lassen. (pei)