Man kennt das Problem von ganz gewöhnlichen Fotos: Wer ein detailreiches Bild haben möchte, braucht viel Licht. In der Mikroskopie hat man aber oft das Problem, dass zu viel Licht schädlich für die Probe ist – etwa, wenn man empfindliche biologische Strukturen abbilden möchte, oder wenn man Quantenteilchen untersucht. Das Ziel ist daher, bei gegebener Lichtmenge möglichst viel Information über das betrachtete Objekt zu sammeln. 

An der TU Wien verwendete man dafür in einer Kooperation mit der Universität Wien und der Universität Siegen (Deutschland) nun einen neuartigen Trick: Man speichert das Licht in einem Resonator, in dem auch die Probe sitzt. Dadurch kann man ein klareres Signal erreichen als mit anderen Methoden. Die Technik wurde nun im Fachjournal „Nature Scientific Reports“ vorgestellt. 

Besseres Signal durch mehrfache Lichtstreuung

„In einem normalen Mikroskop fällt das Licht einmal auf die Probe und gelangt dann in ein Objektiv“, sagt Maximilian Prüfer, der die Studie im Rahmen seines Esprit fellowships des FWF am Atominstitut der TU Wien geleitet hat. „In unserem Mikroskop platzieren wir die Probe in einem optischen Resonator – zwischen zwei Spiegeln.“

Damit der Resonator als Mikroskop wirken kann, entwickelte das Team einen ungewöhnlichen Versuchsaufbau mit zusätzlichen Linsen: Nachdem der Lichtstrahl die Probe durchleuchtet hat, wird er im Kreis geführt und trifft erneut auf die Probe. „Jetzt wird die Probe also noch einmal durchleuchtet, aber nicht mit einem gewöhnlichen, einheitlichen Lichtstrahl wie zu Beginn, sondern mit einem Lichtstrahl, der gewissermaßen bereits das Bild der Probe in sich trägt“, erklärt Oliver Lueghamer (TU Wien), der das Mikroskop im Rahmen seiner Masterarbeit aufgebaut hat.

Ähnlich wie ein Stempel, den man mehrfach auf dieselbe Stelle drückt, auch mit blasser Farbe am Ende ein gut sichtbares Bild erzeugt, wird das Bild der Probe immer klarer, wenn es mehrere Runden im Mikroskop absolviert. 

Sowohl theoretische Berechnungen, die in Zusammenarbeit mit Thomas Juffmann (Universität Wien) und Stefan Nimmrichter (Universität Siegen) entstanden, als auch Experimente zeigen: Diese Methode liefert bei gegebener Lichtintensität mehr Information als andere Mikroskopietechniken. „Die entscheidende Kennzahl ist die Signal-to-Noise-Ratio, das Verhältnis von erwünschtem Signal und unerwünschtem Rauschen“, erklärt Maximilian Prüfer. „Dieses Verhältnis ist aufgrund der Mehrfach-Streuung bei gleicher Störung der Probe besser als bei anderen Verfahren.“

Stabil auch bei kleinen Störungen

Für die Praxistauglichkeit der neuen Methode ist allerdings auch entscheidend, wie anfällig sie gegenüber Störungen ist: „Wenn man optische Resonatoren verwendet, so wie wir das machen, ist es oft wichtig, ihre Länge extrem konstant zu halten“, sagt Maximilian Prüfer. „Normalerweise muss man mit großem Aufwand dafür sorgen, dass der Abstand zwischen den beiden Spiegeln höchstens in winzigem Ausmaß variiert, sonst geht der gewünschte Effekt kaputt. Bei unserem Verfahren ist das allerdings nicht so.“ 

Der Abstand zwischen den Spiegeln kann auch eine gewisse Instabilität zeigen, ohne dass der Effekt verschwindet. „Das ist wichtig, denn das bedeutet, dass die Methode nicht nur theoretisch funktioniert, sondern in der Praxis mit überschaubarem Aufwand eingesetzt werden kann“, sagt Prüfer. 

Eines der Ziele der neuen Mikroskopie-Technik ist, ultrakalte Bose-Einstein-Kondensate abzubilden, und dadurch ihr quantenphysikalisches Verhalten zu studieren.