Beeldvorming met behulp van een atoombundel

Al meer dan veertig jaar wordt onderzoek verricht naar de mogelijkheden om met behulp van bundels atomen afbeeldingen van bepaalde objecten te maken. Enkele malen is aangetoond dat met behulp van atoombundels afbeeldingen kunnen worden gemaakt van eenvoudige vormen als punten en strepen. Deze primitieve 'projectoren' hebben echter lange brandpuntsafstanden en vertonen - als gevolg van de uiteenlopende snelheden van de atomen - grote 'kleurfouten'. Maar met behulp van moderne lasertechnieken lukt het nu om de atomen beter in het gareel te krijgen.

Met behulp van lasers kunnen atomen worden afgekoeld en vertraagd, waardoor ze gemakkelijker kunnen worden gefocusseerd: de brandpuntsafstand wordt dan kleiner. En door langs optische weg de spreiding in hun snelheden te verkleinen, kan de kleurschifting worden onderdrukt. Onderzoekers van het Instituut voor Quantumoptiek in Hannover hebben nu een prototype van een 'atoomprojector' gebouwd, waarmee men op dezelfde manier als met een diaprojector beelden kan produceren.

De beeldvorming vindt plaats met cesiumatomen, die eerst met behulp van een laserbundel worden vertraagd en vervolgens met een tweede laser 'opgepompt' naar één energieniveau. De zo in het gareel gebrachte atomen worden dan door een dun masker van kunststof (de 'dia') gestuurd en passeren vervolgens een ringvormige, twaalfpolige magnetische lens. Deze focusseert de atomen op een 'scherm' van laserlicht, waar het uiteindelijke beeld van de 'dia' met een elektronische camera wordt gedetecteerd (Nature 375, p. 214).

De onderzoekers blijken met deze techniek scherpe afbeeldingen van het maskerpatroon - vergroot of verkleind - te kunnen maken. De meeste beeldfouten kunnen worden gereduceerd door de bundeldiameter te verkleinen, het binnenste deel van de magnetische lens af te schermen en de bundel beter uit te lijnen. Als de bundeldiameter wordt verkleind tot 1 mm, komen alle atomen binnen een gebiedje van 50 nanometer (0,05 micrometer) bij elkaar. De theoretisch bereikbare detailscherpte bedraagt bij deze opstelling 6,5 nm.

Deze techniek zou vooral interessante toepassingsmogelijkheden bieden op het gebied van de fabricage van nanostructuren, uitgaande van maskers met microstructuren. 'Als het detecterende lichtscherm wordt vervangen door een substraat, kan de structuur van ieder masker - dat ook zou kunnen bestaan uit een lichtveld of zelfs een holografisch lichtpatroon - worden omgezet in een patroon van op het substraat neergeslagen atomen', aldus de onderzoekers.