How big is Das kleinste mit einem Elektronenmikroskop sichtbare Objekt?

Ein Elektronenmikroskop erzeugt Bilder mit einem Elektronenstrahl statt mit Licht und kann einzelne Atome sichtbar machen. Stand 2026 können die besten Elektronenmikroskope Details erkennen, die etwa 20 Pikometer voneinander entfernt sind, etwa ein Fünftel der Breite eines Wasserstoffatoms. Ein Pikometer ist ein Billionstel eines Meters.

Größe

Dieser Wert ist eine Auflösung, keine Objektgröße. Die Auflösung eines Mikroskops ist der kleinste Abstand, bei dem zwei Punkte noch als zwei getrennte Punkte erscheinen und nicht als ein verschwommener Fleck. Die kleinsten Dinge, die ein Elektronenmikroskop zeigen kann, sind einzelne Atome, und die besten Geräte lösen heute Details auf, die nur einen Bruchteil der Breite eines Atoms voneinander entfernt sind.

Mängel in den magnetischen Linsen, die den Elektronenstrahl fokussieren, begrenzten die schärfsten Bilder früher auf etwa 100 Pikometer. Linsenkorrektoren änderten das. 2008 stellte das Lawrence Berkeley National Laboratory das TEAM 0.5 vor, ein Mikroskop, das ein halbes Ångström, also 50 Pikometer, erreichen sollte. Sein Team berichtete später davon, Paare von Germaniumatomen im Abstand von 47 Pikometern aufgelöst zu haben.

Eine Computermethode namens Elektronenptychographie trieb den Rekord danach weiter voran. Ein Team der Cornell University erreichte 2018 39 Pikometer und 2021 etwa 20 Pikometer. 2024 berichtete ein Team der Tsinghua-Universität in China von Details bis hinunter zu 14 Pikometern, gemessen mit einem anderen Auflösungsmaß. Der genaue Rekord hängt davon ab, wie die Auflösung gemessen wird.

Größenvergleiche

Ein Wasserstoffatom, etwa 0,1 Nanometer groß, ist etwa fünfmal so breit wie das feinste Detail, das diese Mikroskope auflösen können.
Wäre ein Wasserstoffatom auf die Größe eines Basketballs vergrößert, mit einem Durchmesser von etwa 24 Zentimetern, könnte das Mikroskop Details im Abstand von etwa 4,5 Zentimetern erkennen.
Ein gewöhnliches Lichtmikroskop kann keine Details auflösen, die näher als etwa 0,2 Mikrometer beieinanderliegen. Das ist das 10.000-Fache des Abstands, den die besten Elektronenmikroskope auflösen können. Ein Mikrometer ist ein Millionstel eines Meters.
Zwanzig Pikometer sind 0,2 Ångström. Bindungen zwischen Atomen sind in der Regel 1–2 Ångström lang, also 5- bis 10-mal so lang wie das feinste aufgelöste Detail.
Etwa 4–5 Millionen der feinsten auflösbaren Details würden nebeneinander in die Breite eines menschlichen Haares passen.

Warum Elektronen feinere Details zeigen als Licht

Herkömmliche Mikroskope können keine Details auflösen, die viel kleiner sind als die Wellenlänge dessen, womit sie beobachten. Eine Wellenlänge ist der Abstand von einem Wellenberg zum nächsten. Bei einem gewöhnlichen Lichtmikroskop liegt diese Grenze bei etwa 0,2 Mikrometern, wie der Mikroskopiker Ernst Abbe 1873 herausfand.

Auch Elektronen verhalten sich wie Wellen, allerdings mit viel kürzeren Wellenlängen als Licht. Die schnellen Elektronen, die in vielen solchen Mikroskopen verwendet werden, haben eine Wellenlänge von etwa 2 Pikometern. Das erlaubt im Prinzip weit feinere Details, als Licht es je könnte. In der Praxis hielten fehlerhafte Linsen Elektronenmikroskope deutlich von dieser Grenze entfernt, doch Korrektoren und Computermethoden haben die Lücke seither verkleinert.

Wie die neuesten Bilder entstehen

Elektronenptychographie verlässt sich nicht allein auf Linsen. Das Mikroskop tastet eine Probe mit seinem Strahl in überlappenden Punkten ab und zeichnet auf, wie die Elektronen an jedem dieser Punkte gestreut werden. Computeralgorithmen ermitteln dann, welche Form der Probe diese Muster erzeugen würde, und rekonstruieren daraus das Bild.

Die 2021 an der Cornell University entstandenen Bilder zeigten einen Kristall in 100-millionenfacher Vergrößerung. Bei dieser Auflösung stammt die verbleibende Unschärfe hauptsächlich von den Atomen selbst, die durch Wärme ständig in Bewegung sind. Der Leiter des Teams, David Muller, bezeichnete dies als praktisch eine ultimative Grenze der Auflösung.