Konfokale Mikroskopie mit der Cryostation – keine Drift bei 3,5 K dank geheiztem Objektiv

Montana Instruments hat eine neue Option für konfokale Mikroskopie bei tiefen Temperaturen entwickelt. Diese Option erlaubt ein Fokussieren der Probe bei Temperaturen bis zu 3,5 K mit einmaliger Genauigkeit. Eine Drift von Probe und Optik, auch beim Herunterkühlen der Probe, wurde durch ein patentiertes Design so gut wie eliminiert.

Positionierung und Fokussieren der Probe wird mit integrierten Nano-Positionierern bewerkstelligt. Die Temperatur des hochauflösenden Objektivs und der Probe wird mit einer Genauigkeit von mehr als 0,01 Grad kontrolliert, so dass das Drift-Niveau fast nicht mehr gemessen werden kann. Hierbei sichert eine Ersatzstromversorgung die Leistung.

Messparameter
Zeitintervall	1 Stunde
Änderung der Raumtemperatur	10 °C
Messergebnis
Änderung der Probentemperatur	<10 mK
Probendrift	<200 nm

Das System basiert auf einem vakuum-kompatiblem Zeiss EC Epiplan-Neofluar 100x-Objektiv mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,90 und eine Arbeitsdistanz von 0,31 mm.

Die optische Mikroskopie von individuellen Quantenobjekten war und ist die Basis einiger der außergewöhnlichsten neuen Errungenschaften in der Quantenphysik in den letzten zehn Jahren, speziell beim Verarbeiten von Quanteninformationen und in der Quantenmesstechnik. Optische Messungen bei tiefen Temperaturen sind dabei der Schlüssel für zukünftige Entdeckungen.

Das gezeigte Experiment demonstriert beinahe driftfreie mikroskopische Messungen an einzelnen Molekülen bei 3,5 K. Die Proben sind Stickstoffleerstellen (NV) in Diamant, relativ schwach emittierende Ein-Photonen-Quellen, die nur mit gut korrigierten Mikroskop-Objektiven mit höchster numerischer Apertur betrachtet werden können. Die Cryostation zeichnet sich durch ihren einfachen Zugang zum Probenraum aus. Dies ist auch bei der Mikroskop-Option der Fall. Es geht mit wenigen Handgriffen: Nur das Gehäuse entfernen, das Strahlungsschild abschrauben und abnehmen und schon sind die Probe und die Verkabelung frei zugänglich für Modifikationen.

Mikroskop 2a und b — Linke Abb.:
Es wurde ein 3D-Gitter zur Kalibration verwendet
Rechte Abbildung:
Das System hat das Gitter mit 14 Pixeln pro 1,2 µm Objekt, oder einer effektiven Pixelgröße von weniger als 0,1 µm abgebildet

Diamamantstruktur — Linke Abb.:
20 µm x 20 µm großer Ausschnitt einer Diamantstruktur mit Stickstoffleerstellen
Rechte Abb.:
Ein einzelner Defekt vergrößert. Die Drift in einer Stunde beträgt weniger als 200 nm

Thermische und optische Drift der Probe korreliert oft mit einer Veränderung der Umgebungstemperatur. Die Temperaturstabilität des Systems wurde daher in einem Experiment getestet, in dem die Raumtemperatur im Labor für eine Stunde um 10 °C verringert wurde. Während dieser Zeit wurden keine Änderungen der Proben- oder Objektivtemperatur festgestellt.

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