Röntgenstrahlen ermöglichen einzigartige Einblicke in das Innere von Materialien, Gewebe und Zellen. Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI haben erstmals das Prinzip der Fourier-Ptychografie auf Messungen mit Röntgenlicht übertragen und konnten so die Auflösung der Röntgenbilder verbessern.
Klaus Wakonig und Ana Diaz haben gemeinsam mit weiteren Kollegen erstmalig das Prinzip der Fourier-Ptychografie auf die Röntgenmikroskopie übertragen.
Markus Fischer / Paul Scherrer Institut
Mit Röntgenmikroskopen blicken Forschende am Paul Scherrer Institut PSI in Computerchips, Katalysatoren, Knochenstückchen oder Hirngewebe. Die kurze Wellenlänge des Röntgenlichts macht Strukturen im Nanometerbereich sichtbar. Da die winzige Strukturen das Licht in sehr großen Winkeln streuen, braucht es eine entsprechend große Linse, um das Bild aufzulösen. "Im sichtbaren Bereich gibt es Linsen, die sehr große Streuwinkel einfangen können. Im Röntgenbereich hingegen ist dies aufgrund der schwachen Wechselwirkung mit dem Material der Linse komplizierter. Infolgedessen können meist nur sehr kleine Winkel eingefangen werden oder die Linsen sind sehr ineffizient", erläutert Klaus Wakonig, Physiker am PSI.
Eine neue, von Wakonig und seinen Kollegen entwickelte Methode umgeht dieses Problem. Die Forscher verwenden eine kleine, effiziente Linse und verschieben diese über einen Bereich, den eine ideale Linse abdecken würde. Somit entsteht virtuell eine große Linse. "In der Praxis gehen wir mit der Linse zu verschiedenen Punkten und nehmen dort jeweils ein Bild auf", erklärt Wakonig. "Dann verwenden wir Computeralgorithmen, um alle Bilder zu verbinden und so eine hochaufgelöste Aufnahme zu erzeugen."
Vom sichtbaren Licht zur Röntgenstrahlung
Normalerweise vermeidet man, Linsen in Instrumenten von der optischen Achse weg zu bewegen, da dies die Abbildung verfälschen kann. Doch da die Wissenschaftler die genaue Position der Linse kennen und viele nah beieinander liegende Punkte beleuchten, können sie rekonstruieren, wie das Licht gestreut wurde und wie die Probe ausgesehen hat. Dieses Verfahren heißt Fourier-Ptychografie und wird seit 2013 für die Mikroskopie im sichtbaren Bereich verwendet. In den Experimenten am PSI wurde dieses Prinzip erstmals auf die Röntgenmikroskopie übertragen. Die Ergebnisse der Arbeit an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS sind im Fachmagazin "Science Advances" veröffentlicht.
Die neue Methode liefert nicht nur eine bessere Auflösung, sondern auch zwei sich ergänzende Bildinformationen. Einerseits wird wie bei einer Handy-Kamera gemessen, wie viel Licht vom abzubildenden Objekt absorbiert wird. Andererseits wird auch erfasst, wie das Licht abgelenkt wird. Die Fachleute sprechen von Absorptions- und Phasenkontrast. Der Phasenkontrast ermöglicht es, Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften der untersuchten Probe zu ziehen, was mit normaler Bildgebung in der Regel nicht gelingt. In den Experimenten untersuchten die Wissenschaftler einen Detektorchip. In Zukunft könnte die neue Methode zum Beispiel aufzeigen, wie ein Katalysator bei hohen Temperaturen arbeitet oder wann und wie ein Metall unter Druck bricht.