Atome in einem Praseodymorthoscandat-Kristall

Einem Team um Zhen Chen von der Cornell University in Ithaca ist es gelungen, Atome in einer bislang noch nie dagewesenen Auflösung abzubilden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler brachen damit ihren eigenen Rekord, der ihnen erst 2018 einen Eintrag im »Guinness-Buch der Rekorde« beschert hatte.

Für ihre Aufnahme nutzten Chen und Kollegen ein Verfahren namens Elektronen-Ptychografie. Dabei wird die zu untersuchende Probe mit einem Strahl aus Elektronen beschossen, die von den Atomen in dem Material gestreut werden und ein Interferenzmuster bilden, das Detektoren aufzeichnen. Der Strahl verändert seine Position jedes Mal ein wenig, so dass die Elektronen in unterschiedlichen Winkeln auf die Atome in der Probe treffen und entsprechend auch unterschiedliche Beugungsbilder ergeben.

Aus den Beugungsbildern der Milliarden von Elektronen an verschiedenen Orten der Probe – und der Art und Weise, wie sich deren Auftrittsorte überlappen und sich diese Überlappung verändert – errechnet dann ein Algorithmus ein Bild der gesamten Probe. Der Vorteil der Technik ist, dass das Interferenzmuster auch Informationen über die Phasen der Wellen enthält und so zum Beispiel auch normalerweise durchsichtige Strukturen abbildet. Auf diese Weise schafften es die Forscher, die Atome eines Praseodymorthoscandat-Kristalls (PrScO₃) 100-millionenfach vergrößert darzustellen.

Dass das Bild trotzdem eine gewisse Unschärfe aufweist, ist der thermischen Bewegung der Atome selbst geschuldet. Wie das Team um Chen erklärt, ließe sich die Auflösung womöglich weiter verbessern, wenn man ein Material betrachtet, das aus größeren Atomen besteht (die sich weniger stark bewegen) oder die Probe abkühlt. Allerdings sei der Gewinn dadurch voraussichtlich nur gering.

Bislang konnten Forscher die Elektronen-Ptychografie nur bei sehr flachen Proben einsetzen, die nur wenige Atomschichten hoch waren. Denn je dicker ein Material, desto häufiger werden die Elektronen in seinem Inneren abgelenkt – und desto weniger Rückschlüsse lassen sich am Ende über die Position und die Form der einzelnen Atome ziehen. Chen und seinen Kollegen gelang es nun aber, die Algorithmen derart zu verbessern, dass auch Proben durchleuchtet werden können, die einige hundert Atomschichten dick sind.