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
Zeitintervall1 Stunde
Änderung der Raumtemperatur10 °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.

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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