Mikroskopie mit einem einzelnen Molekül als Lichtquelle

K. F. v. Weizs�cker

D. Haarer, L. Kador

Abstract Bei herkömmlichen spektroskopischen Untersuchungen an kondensierter Materie stammen die beobachteten Signale von mindestens 1010 bis 1015 Molekülen, über deren Eigenschaften und Verhalten gemittelt wird. Seit einigen Jahren ist es jedoch möglich, einzelne Dotierungsmoleküle in einem auf tiefer Temperatur gehaltenen Festkörper optisch nachzuweisen. Dadurch wird es möglich, die Wechselwirkung eines Moleküls mit seiner Matrixumgebung mit extremer Orts‐ und Frequenzauflösung zu studieren. Eine interessante Anwendung für zukünftige Experimente könnte darin bestehen, Tunnelzustände in amorphen Festkörpern oder Gitterfehler in Kristallen aufgrund ihrer Auswirkungen auf das Verhalten eines in der Nähe befindlichen einzelnen Dotierungsmoleküls genauer als bisher zu charakterisieren.

J.-P. Amiet

Metzger, Michael

In der vorliegenden Arbeit wurde auf dem Gebiet modernster Fluoreszenz-Mikroskopie und -Spektroskopie sowie optischer Sensorik geforscht. Dabei wurden verschiedene Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie betrachtet. So wurden die Phänomene der Lichtstreuung, die Absorption bzw. Fluoreszenz, die Wechselwirkung von Quantenemittern in einem Fabry-Perot-Resonator und die Beugung bzw. die dadurch resultierende Auflösung behandelt. Ein Ziel dieser Promotion war die Entwicklung eines kostengünstigen Nephelo- meters. Herzstück dieses Sensors ist der Schrittmotor, wodurch die Probe automatisch an 50 Positionen gemessen wird. Dadurch sind die Messergebnisse des Sensorsystems deutlich reproduzierbarer, vor allem im niedrigen Trübungsbereich bei geringer Signalintensität. Durch gezielte Wahl der Optik- und Elektronikkomponenten ist der entwickelte Sensor eine kostengünstige, präzise und reproduzierbare Alternative gegenüber kommerziellen Geräten. Dieses Sensorsystem könnte in seiner momentanen Entwicklungsstufe z.B. zur Qualitätskontrolle von Trinkwasser eingesetzt werden. Weitere Ziele dieser Promotion waren die bewusste Veränderung bzw. Manipula- tion der optischen Eigenschaften von Quantenemittern in Mikroresonatoren. Diese Experimente wurden mit einem im Rahmen dieser Dissertation völlig neu konzipierten und neu aufgebauten Mikroskop durchgeführt. Ein Experiment untersuchte anhand des Farbstoff-Moleküls Atto488 den Zusammenhang zwischen den modifizierten Fluoreszenz-Spektren und Zerfallskurven im Resonator. Dabei konnten die Anteile der einzelnen strahlenden Übergänge des Farbstoffs mit Hilfe des Resonators gezielt verändert werden. Es konnte zudem der Förster-Resonanz-Energietransfer als Funktion des Spiegelabstandes (des Resonators) bestimmt werden. Somit ließen sich experimentell - zeitaufgelöst und spektral - der Zusammenhang zwischen Fluoreszenz-Spektren und Zerfallskurven sowie die Energietransferdynamik von FRET-Prozessen darstellen. Außerdem konnte mit diesem Neuaufbau mittels konfokaler Fluoreszenz-Mikroskopie nachgewiesen werden, dass anisotrope SiO2-Partikel teilweise hohl und teilweise mit SiO2 gefüllt sind. Ein weiterer wissenschaftlicher Beitrag ist die Weiterentwicklung eines bestehenden konfokalen Tieftemperaturmikroskops und die Messung von Proben bei 160 K mit Immersionsmedium. Mit Hilfe von 1-Propanol als Immersionsmedium konnte erstmalig ein Experiment mit einem Immersionsobjektiv bei tiefen Temperaturen durchgeführt werden. Die dadurch erzielte Auflösungssteigerung könnte zukünftig beispielsweise an biologischen Proben Anwendung finden. Mit geringfügigen Modifikationen und dem Austausch des Immersionsmediums zu Isopentan könnten auch vitrifizierte und somit native Proben untersucht werden.

K. W. F. Kohlrausch

Stephan Götzinger, Vahid Sandoghdar

Abstract Die Kopplung von Emittern mit einzelnen Photonen ist von zentraler Bedeutung für die Realisierung von Quantennetzwerken und anderen zukünftigen optischen Quantentechnologien. Unserer Arbeitsgruppe ist es kürzlich gelungen die Kommunikation zweier entfernter Moleküle durch einzelne Photonen zu zeigen. Dies ebnet den Weg zu Experimenten, in denen einzelne Photonen als Träger von Quanteninformation mit Hilfe von einzelnen Atomen oder Molekülen weiterverarbeitet werden.