Elektronenmikroskope erreichen heute großartige Auflösungen, sie können Details auf atomarer Skala abbilden. Doch für empfindliche Materialien, etwa für biologische Proben, sind sie nicht geeignet. Beschießt man empfindliche, biologische Moleküle mit energiereichen Elektronenstrahlen, gehen sie rasch kaputt. 

Philipp Haslinger beschäftigt sich mit Quanten- und Materiewellenoptik. Mit seiner Arbeit der letzten Jahre stieß er auf eine Möglichkeit, Elektronenmikroskopie auf radikal neue Weise zu erweitern. Seine Idee ist, Elektronen gewissermaßen als „Mini-Magnet-Sensoren“ zu verwenden, um auf sanfte, nicht-zerstörende Art hochpräzise die quantenphysikalischen Eigenschaften einer Probe zu messen, ähnlich wie man in einem MRT das Innere des menschlichen Körpers vermessen kann. Um diese Technologie voranzutreiben erhält Philipp Haslinger nun einen Consolidator Grant des European Research Council (ERC).

Elektronenstrahlen und Elektronenspins

„Wir kombinieren zwei Technologien, die bisher eigentlich völlig getrennt betrachtet wurden“, sagt Philipp Haslinger. „Einerseits die Elektronenmikroskopie, andererseits die Magnetresonanz-Spektroskopie.“ Die beiden Techniken haben ganz verschiedene Stärken: Elektronenmikroskopie erreicht Auflösungen im Nanometerbereich, Magnetresonanz hat eine weniger gute Auflösung, kann aber hochsensibel unterschiedliche Quantenzustände voneinander unterscheiden.

In einem gewöhnlichen Elektronenmikroskop übernehmen Elektronen gewissermaßen die Aufgabe, die das Licht in einem gewöhnlichen Lichtmikroskop erfüllt: Die Probe wird mit Elektronen „beleuchtet“, die Elektronen werden gestreut und gemessen – und daraus erzeugt man dann ein Bild.

Haslingers Team betrachtet Elektronen aber quantenphysikalisch: Nach den Gesetzen der Quantenphysik bewegen sich Elektronen wellenartig – ähnlich wie Wasserwellen, die am Schwimmbeckenrand reflektiert werden, mit sich selbst überlagern können. Wenn man diese Überlagerungen misst, kann man Auskunft darüber erhalten, wie das Elektron mit der Materie wechselwirkt, an der es vorbeifliegt. „Die Teilchen im Material haben quantenphysikalische Spins – einen Eigendrehimpuls, der auch ein winziges Magnetfeld erzeugt“, sagt Philipp Haslinger. „Dieses Magnetfeld können wir mit den Elektronen messen – und zwar um einen Faktor 1000 besser als bisher.“

Die Messung verläuft in zwei Schritten: Zuerst wird die Probe angeregt. Mit Mikrowellen – also auf sehr sanfte Weise – beeinflusst man die magnetischen Spins der Probe. Dann kommt der Elektronenstrahl um die Spin-Information der Proben-Oberfläche „aufzusammeln“ oder auch ins Innere der Probe hineinzuschauen. „Simulationen zeigen, dass diese Technik großartiges Potenzial hat“, sagt Philipp Haslinger. „Wir sind sehr zuversichtlich, dass es uns in den nächsten Jahren gelingen wird, mit der neuen Methode hochpräzise Bilder zu erstellen.“