|
Röntgen-Hologramm eines mehrlagigen Cobolt-Platin-Films,
gemessen mit zirkular polarisiertem Licht
Bild: BESSY
Aus dem Hologramm rückgerechnete wurmförmige magnetische
Domänen. Sie unterscheiden sich nur durch ihre
Magnetisierungsrichtung (blau: aufwärts, grün: abwärts)
Bild: BESSY
|
Wissenschaftler um Stefan Eisebitt (BESSY) und
Jan Lüning vom Stanford Synchrotron Radiation Labor (SSRL; USA)
entwickelten dazu eine neuartige Versuchsanordnung, mit der sie in
einem ersten Experiment die magnetischen Domänen eines
Cobalt-Platin-Films mit einer Auflösung von 50 Nanometern abbilden
konnten. Ihre Untersuchung veröffentlicht Nature als Titelbeitrag in
seiner aktuellen Ausgabe. "Vorteile unserer Anordnung sind die
einfache Justage, Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen während der
Messung sowie ein sehr kostengünstiger Aufbau. Außerdem lässt sich die
Holographie an Synchrotronstrahlungsquellen wie BESSY II mit
besonderen spektroskopischen Kontrastmechanismen verknüpfen. Damit
lassen sich z.B. die Verteilung einzelner Elemente in einer Probe oder
Magnetisierungsmuster räumlich abbilden", hebt Stefan Eisebitt hervor.
Die Röntgenholographie etablierte sich damit als alternative, leicht
anzuwendende Methode zu bisherigen Messverfahren im Nanometerbereich.
Die Auflösung optischer Mikroskope ist durch die Wellenlänge des
verwendeten Lichtes beschränkt, es können bestenfalls 200 Nanometer
große Strukturen aufgelöst werden. Röntgenmikroskope, wie sie auch bei
BESSY im Einsatz sind, erzielen aufgrund der kürzeren Wellenlänge von
Röntgenstrahlen eine Auflösung von 20 Nanometern. Allerdings muss das
Röntgenlicht mit speziellen Linsen gebündelt werden, deren Fertigung
extrem aufwändig ist und deren Herstellungspräzision die räumliche
Auflösung begrenzen. Die Holographie ist ein alternatives
Abbildungsverfahren, das ohne Linsen auskommt. Das von einem Objekt
gestreute Licht, als Objektstrahl bezeichnet, wird hierbei nicht durch
eine optische Abbildung auf eine Ebene projiziert. Stattdessen nimmt
man ein charakteristisches Interferenzmuster des Objektes auf, das
durch die Überlagerung des Objektstrahls mit einem Referenzstrahl
(Licht desselben "Typs", wie es für die Beleuchtung des Objektes
benutzt wurde) entsteht. Dieses Interferenzmuster ist das Hologramm.
Es enthält die komplette Information über die vom Objekt erzeugte
Wellenfront, so dass sich daraus das Bild des Objektes rekonstruieren
lässt. Allerdings kann nur kohärente Strahlung solche Hologramme
erzeugen, denn nur dann interferieren Objekt- und Referenzstrahl
miteinander. Im sichtbaren Spektralbereich benutzt man dazu Laser -
aber diese existieren für den Röntgenbereich derzeit noch nicht.
Eisebitt und Lüning führten ihre Experimente am Berliner
Elektronenspeicherring BESSY durch, derzeit eine der weltweit
kohärentesten Quellen weicher Röntgenstrahlung. In ihrer für die
Röntgenholographie neuen Versuchsanordnung liegen der Objekt- und
Referenzstrahl nicht auf einer Achse. Dazu brachten sie die Probe auf
eine mikrostrukturierte Maske auf, die ein zusätzliches "Nano-Loch"
zur Erzeugung des Referenzstrahls enthält. Diese Geometrie erzeugt ein
Interferenzmuster, aus dem sich das Objekt mit einer mathematischen
Standartmethode - der zweidimensionalen Fast-Fourier-Transformation -
mit hoher Auflösung zweifelsfrei zurückrechnen lässt. Die
Masken-Methodik eliminiert Störungen der holographischen Abbildung wie
sie in anderen Geometrien auftreten.
Interessant ist die Röntgenholographie auch hinsichtlich des Einsatzes
an zukünftigen Röntgenlaserquellen, den Freie Elektronen Lasern (FEL).
Sie werden extrem lichtstarkes, kohärentes Röntgenlicht in Pulsen von
wenigen Femtosekunden Dauer erzeugen. Mit diesen Pulsen wollen
Wissenschaftler u.a. grundlegende Prozesse, z.B. die Bewegung eines
Atoms, zeitaufgelöst verfolgen. Eine Folge von Röntgenblitzen
kombiniert mit einer entsprechend schnellen Abbildungsmethode könnte
dazu stroboskopartige Momentaufnahmen der Bewegungen liefern. "Wir
konnten zeigen, dass ein einziger FEL-Röntgenpuls ausreicht, um ein
Röntgenhologramm zu erzeugen", betont Eisebitt. "Die
Röntgenholographie sollte sich deswegen dafür eignen, um an einem FEL
ultraschnelle Prozesse abzubilden und zu verstehen." Die Entwicklung
und Planung von Freie Elektronen Lasern wird derzeit weltweit mit
hohem Aufwand betrieben. U.a. plant BESSY den Bau eines FEL bis 2010.
|
