Mehr Informationen aus Mikroskopie-Abbildungen durch Rechenleistung
Am 27.11.2019 fand am HZB das Auftakttreffen des Helmholtz-Inkubator-Projekts Ptychography 4.0 statt. Sieben Helmholtz-Zentren wollen gemeinsam Methoden der Datenwissenschaft weiter entwickeln, um mehr Informationen aus Elektronen- und Röntgenmikroskopie zu gewinnen. Insbesondere geht es darum, mit „virtuellen Linsen“ Abbildungsfehler zu korrigieren und so das Auflösungsvermögen deutlich zu steigern.
Ptychography 4.0 gehört zu den Pilotprojekten des Inkubator-Förderprogramms im Bereich Information und Datenwissenschaften und wird aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds des Präsidenten der Helmholtz-Gemeinschaft mit knapp 1,7 Millionen Euro gefördert. Die Helmholtz-Zentren beteiligen sich mit Eigenmitteln in gleicher Höhe.
„Mit der Ptychographie 4.0 arbeiten wir daran, die Auflösung in der Elektronenmikroskopie, aber auch in der Röntgenmikroskopie deutlich zu steigern, indem wir Abbildungsfehler rechnerisch korrigieren“, erläutert Dr. Markus Wollgarten, der am HZB das CoreLab für Korrelative Spektroskopie und Mikroskopie leitet. So wäre es zum Beispiel möglich, feinste Oberflächenstrukturen in Bakterien oder Viren extrem scharf darzustellen oder neue Materialien wie Graphen atomar genau abzubilden, ohne dass man auf kostspielige Korrektor-Optiken zurückgreifen muss.
Bei konventionellen Mikroskopieverfahren wird Licht (oder ein Elektronenstrahl) durch die Probe geschickt, ein Detektor misst dahinter die verbleibenden Intensitäten und man erhält so ein Bild der Probe. Dabei geht jedoch die wertvolle Information über die probenbedingte Phasenänderung der Strahlung verloren. Bei der Ptychographie 4.0 wird diese Information rechnerisch berücksichtigt und ausgewertet. Dies erfordert zwar Datenraten im Bereich von Gigabyte/Sekunde, erlaubt aber dann, die Probenstruktur mit großer Genauigkeit rechnerisch zu rekonstruieren. Abbildungsfehler des Mikroskops spielen dabei praktisch keine Rolle.
Die Kooperationspartner wollen nun diesen Ansatz weiter entwickeln und die Methode für den Routineeinsatz mit verschiedenen Strahlungsarten, wie beispielsweise Röntgenstrahlung, Elektronen oder XUV Licht, optimieren. Insbesondere soll die Bildrekonstruktion so stark beschleunigt werden, dass Abbildungen in Echtzeit möglich sind.
„Mit Ptychographie 4.0 umgehen wir limitierende Abbildungsfehler, so dass wir auf die sehr kostenintensiven physikalischen Korrektor-Optiken verzichten können – damit werden sich künftig wesentlich mehr Einrichtungen state-of-the-art Hochauflösungsmikroskopie leisten können“, betont Wollgarten.
Partner:
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Forschungszentrum Jülich (FZJ)
Helmholtz Institut Jena (GSI, HI-Jena)
Helmholtz Zentrum München (HMGU)
Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI)
Koordination:
PD Dr. Wolfgang zu Castell
Helmholtz Zentrum München (HMGU)
castell@helmholtz-muenchen.de
Prof. Dr. Christian Schroer
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
christian.schroer@desy.de
Am HZB sind neben Dr. Markus Wollgarten auch Prof. Dr. Gerd Schneider (Röntgenmikroskopie) sowie Ants Finke (IT-Abteilung) beteiligt.
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.
- CIGS-Perowskit-Tandemzelle erreicht Rekordwirkungsgrad von 25,5 %Ein Berliner Team aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Center for the Science of Materials Berlin (CSMB) an der Humboldt-Universität zu Berlin hat einen neuen Rekord für eine Tandemsolarzelle aufgestellt. Durch die Kombination einer CIGS-Halbleiterschicht mit Perowskit gelang es ihnen, 25,5 % des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln. Der bisherige Rekord für diese Materialkombination und diese Zellgröße lag bei 24,6 %. Der neue Rekord wurde zertifiziert und ist in den Solar Cell Efficiency Tables (den „Green Tables“) zu finden, die als Nachschlagewerk für die weltweite Photovoltaik-Gemeinschaft gelten.
- Unordnung erzeugt neue Eigenschaften in VerbindungshalbleiternEin internationales Forschungsteam hat gezeigt, dass intrinsische Unordnung im Verbindungshalbleiter CuInSnS₄ genutzt werden kann, um dessen optische Eigenschaften zu beeinflussen. Optische Anregungen (Exzitonen) reagieren empfindlich auf die lokale Anordnung der Atome. Dabei zeigen sie überraschenderweise eine richtungsabhängige Reaktion, obwohl die durchschnittliche Kristallstruktur kubisch ist. Diese Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf den Zusammenhang zwischen Unordnung und Materialeigenschaften und eröffnen neue Möglichkeiten für ein gezieltes „Unordnungs-Engineering“ in optoelektronischen und photokatalytischen Bauelementen.