Als Sicherheitsmerkmale sind sie auf jeder Kreditkarte. Hologramme gehören inzwischen in unseren Alltag. Während normale Fotografien nur die Amplitude der Lichtwelle aufzeichnen – und dadurch für uns eigentlich zweidimensional erscheinen – enthalten Hologramme zusätzlich die örtliche Information über die Phase der Lichtwelle – und erscheinen uns dreidimensional. Das funktioniert beim Hologramm allerdings nur bei geeigneter Beleuchtung. Denn dann wird die ursprüngliche Wellenfront phasenrichtig wiederhergestellt. Soweit so gut. Aber es gibt noch eine weitere Eigenschaft, die Holografie von der normalen Fotografie unterscheidet: für die Aufzeichnung eines Hologramms benötigt man keine Linsen. Dies wiederum macht Hologramme so interessant, winzig kleinste Strukturen abzubilden.
Mikroskop ganz ohne Linse
Für die Untersuchung Nanometer- großer Strukturen wird Licht mit mindestens ebenso kleiner Wellenlänge benötigt – sogenannte weiche Röntgenstrahlung. Die einzigen Linsen, die in diesem Wellenlängenbereich funktionieren, die Fresnel-Zonenplatten, sind sehr aufwändig herzustellen. Dementsprechend auch teuer. Und zudem liefern sie eine um eine Größenordnung schlechtere Abbildungsqualität als Linsen für sichtbares Licht. Warum also nicht die linsenlose Aufzeichnung eines Hologramms einsetzen, um in den Nanometer Kosmos einzudringen? Dafür wird die Lichtwelle – nachdem sie das Objekt durchstrahlt hat – bei der Aufzeichnung mit einer Referenzwelle überlagert. Deren Phase ist bekannt und bleibt stabil. Für diesen Trick verwenden Physiker den Ausdruck „Interferenz“. Als Referenzwelle dient eine Kugelwelle. Die geht von einem wenige Nanometer großen Loch direkt neben dem Objekt aus. Solche Röntgenstrahlen stehen an modernen Synchrotron-Quellen oder an den neuen Freie- Elektronen- Lasern wie dem Hamburger FLASH mit größter Helligkeit zur Verfügung.
Wenn DESY und ESRF sich zusammen tun
Eine Arbeitsgruppe aus Wissenschaftlern vom DESY – Deutsches Elektronen Synchroton Hamburg – und der ESRF – European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble – hat das erste voll funktionsfähige Mikroskop für die Holografie von Nanostrukturen entwickelt. Dabei erlaubt der neuartige Aufbau aus zwei direkt hintereinander angeordneten und präzise gegeneinander verschiebbaren Siliziumnitrid-Membranen, eine beliebige Stelle des zu untersuchenden Objekts gezielt anzufahren und abzubilden. Nötig sind dazu: ein Mikrometer- großes Loch für die Wahl des Bildausschnitts und ein kleines Loch für die Erzeugung der Referenzwelle. Der Trick besteht darin, diese beiden optisch wirksamen Komponenten aus einer eigenen, undurchlässigen Membran herzustellen. Auf einer zweiten, durchlässigen Membran wird das Objekt präpariert.
Hologramm- Rekonstruktion am Computer
Die Hologramme der einzelnen Bildausschnitte eines Objekts werden in einem sehr einfachen Verfahren am Computer rekonstruiert und die einzelnen Bilder anschließend zusammengesetzt. Weiche Röntgenstrahlung bietet die Möglichkeit der selektiven Abbildung einzelner chemischer Elemente. Oder aber auch deren lokaler Magnetisierung. Die Zeitstruktur der Röntgenpulse verspricht darüber hinaus Information hin zu der Pikosekunden- Skala. Übrigens eine Pikosekunde sind 1/1.000.000.000.000 Sekunden.