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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum räumlich hochaufgelösten Erzeugen
einer dauerhaften Struktur unter Verwendung eines optischen Signals
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem unter Verwendung
eines optischen Signals dauerhaft strukturierbaren Schreibbereich
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24. Die Erfindung kann
insbesondere beim Schreiben in einen optischen Datenspeicher und
beim Ausbilden mikrolithographischer Strukturen Anwendung finden.
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Die
Dauerhaftigkeit der mit dem Verfahren bzw. bei der Vorrichtung erzeugten
Struktur soll zumindest für
einen Zeitraum viel größer als
1 Minute und vorzugsweise für
einen Zeitraum viel größer als 1
Tag oder noch mehr bevorzugt bis zum gewollten Ändern oder Löschen der
Struktur gegeben sein, so dass die erzeugte Struktur auch mit größerem zeitlichen
Abstand zu ihrer Erzeugung nutzbar ist.
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Bei
einem bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
bei dem eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 24 verwendet
wird, wird eine Schicht aus Photolack mit dem optischen Signal überall dort
belichtet, wo sie dauerhaft verändert
werden soll. Dabei besteht die gewünschte Struktur nicht aus den
veränderten
Teilbereichen des Schreibbereichs sondern aus den mit dem optischen
Signal gezielt ausgelassenen Teilbereichen.
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Die
räumliche
Auflösung
sowohl abbildender als auch modifizierender optischer Verfahren
wird grundsätzlich
durch die von der Wellenlänge
des verwendeten Lichts abhängige
Beugungsgrenze (Abbe'sche
Grenze) gesetzt.
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So
ist die Beugungsgrenze bei allen bekannten Verfahren zum räumlich hochaufgelösten Erzeugen
einer dauerhaften Struktur unter Verwendung eines optischen Signals
die natürliche
Untergrenze für die
Auflösung
beispielsweise beim Schreiben von Daten in einen optischen Datenspeicher
und damit für
die in dem Datenspeicher erreichbare Datendichte oder bei der Mikrolithographie.
Um immer kleinere Strukturen zu erzeugen, z. B. in einem Photoresist, ist
man daher bislang gezwungen, zu immer kürzeren Wellenlängen überzugehen.
Zur Zeit verwendet man daher fernes UV-Licht (englisch: deep-UV
light), für die
Zukunft wird die Verwendung von Röntgenlicht angestrebt. Ein
Problem dabei ist, dass Licht mit einer Wellenlänge < 250 nm schwer zu fokussieren ist und
die zu verwendeten Optiken teuer und ineffizient werden.
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Auf
dem Gebiet der Fluoreszenzmikroskopie sind bereits Verfahren bekannt,
bei denen durch Ausnutzung von nichtlinearen Zusammenhängen zwischen
der Schärfe
des effektiven fokalen Spots und der eingestrahlten Intensität die Beugungsgrenze
bei der Abbildung einer Struktur einer Probe effektiv unterschritten
wird. Beispiele sind die Multiphotonenabsorption in der Probe oder
die Erzeugung höherer Harmonischer
des einfallenden Lichts. Auch eine Sättigung eines optisch induzierten Übergangs
kann als nichtlinearen Zusammenhang ausgenutzt werden, wie beispielsweise
bei einer Entvölkerung
des fluoreszierenden Zustands durch stimulierte Emission (englisch:
stimulated emission depletion = STED) oder einer Entvölkerung
des Grundzustands (englisch: ground state depletion = GSD). Bei
diesen beiden Verfahren, die prinzipiell molekulare Auflösungen erreichen
können,
wird ein Fluoreszenzfarbstoff, mit dem die interessierende Struktur
einer Probe markiert ist, überall
dort, wo ein optisches Signal einen charakteristischen Grenzwert,
d.h. einen Sättigungsgrenzwert, überschreitet,
in einen Energiezustand versetzt, aus dem heraus keine Fluoreszenz (mehr)
erfolgt. Wenn der räumliche
Bereich, aus dem dann noch ein Messsignal registriert wird, durch
ein lokales Intensitätsminimum
des optischen Signals festgelegt wird, das eine Nullstelle aufweist
und beispielsweise durch Interferenz erzeugt wird, sind seine Abmessungen
und damit die erreichte Ortsauflösung
kleiner als die Beugungsgrenze. Der Grund ist, dass der räumliche
begrenzte Teilbereich, aus dem das Messsignal registriert wird,
mit zunehmenden Sättigungsgrad
der Entvölkerung
des an der Fluoreszenz beteiligten Zustands eingeengt wird. Genauso wird
die Kante eines fokalen Spots oder Streifens steiler, was ebenfalls
zu einer erhöhten
Ortsauflösung
führt.
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Ein
konkretes STED-Verfahren ist aus der WO 95/21393 A1 bekannt. Bei
diesem Verfahren wird eine Probe bzw. ein Fluoreszenzfarbstoff in
der Probe durch ein optisches Anregungssignal zur Fluoreszenz angeregt.
Der räumliche
Teilbereich der Anregung, für
den normalerweise die Beugungsgrenze gilt, wird dann verkleinert,
indem er mit einem Intensitätsminimum
eines Interterenzmusters eines optischen Abregungssignals überlagert
wird. Überall dort,
wo das Abregungssignal einen Sättigungsgrenzwert übersteigt,
wird der Fluoreszenzfarbstoft zumindest im Wesentlichen vollständig durch
stimulierte Emission ausgeschaltet, d.h. aus dem zuvor angeregten
Energiezustand wieder abgeregt. Der verbleibende räumliche
Teilbereich, aus dem anschließend
noch Fluoreszenzlicht spontan emittiert wird, entspricht nur noch
einem verkleinerten Gebiet um die Nullstelle des Intensitätsminimums,
in dem das Abregungssignal nicht oder nicht mit ausreichender Intensität vorlag.
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Aus
The Journal of Biological Chemistry, Vol. 275, No. 84, Seiten 25879-25882
(2000), ist ein Protein bekannt, das durch grünes Licht in zunehmendem Maße zur Fluoreszenz
im roten Bereich anregbar ist, das aber bei Bestrahlung mit blauem
Licht seine Fluoreszenzeigenschaften verliert. Dieser Prozess ist
umkehrbar. Offenbar schaltet das grüne Licht das Protein in einen
Konformationszustand, in dem es die Fluoreszenzeigenschaft hat,
und regt gleichzeitig die Fluoreszenz an, während das blaue Licht das Protein
in einen Konformationszustand ohne die Fluoreszenzeigenschaften
umschaltet. Das Protein ist ein in der Seeanemone Anemonia sulcata
vorkommendes natürliches
Protein, dessen hier beschriebenen Funktionen durch gezielten Austausch
einer Aminosäure
verstärkt
werden können.
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Weiterhin
ist es aus der Zeitschrift Nature Vol. 388, Seiten 355-358, (1997)
bekannt, dass das Grün-Fluoreszierende-Protein
(englisch: green-fluorescent protein, GFP) und Mutanten davon zwischen zwei
Zuständen
geschaltet werden können,
wobei der eine sich von dem anderen spektral unterscheidet. Beide
Proteine können
als Fluoreszenzmarker in lebenden Zellen eingesetzt werden.
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Aus
der Publikation Nature, Vol. 420, Seiten 759-760, (2002) sind fluoreszierende
Moleküle
aus der Familie der Diarylethenen bekannt, die sich zwischen einen
fluoreszierenden und einem nichtfluoreszierenden Zustand beliebig
hin- und herschalten lassen. Beide Zustände sind thermisch stabil,
so dass der Schaltprozess, bei dem es sich um eine Photoisomerisierung
oder Photocyclisierung handelt, mit vergleichweise niedrigen Intensitäten eines
optischen Signals erzwungen werden kann. Moleküle, die unter Lichteinfluss
ihre Farbe verändern,
werden im allgemeinen als photochromenen Moleküle bezeichnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem die Beugungsgrenze beim
Erzeugen von dauerhaften Strukturen unter Verwendung eines optischen
Signals unterschreitbar ist. Weiterhin soll eine für ein solches
Verfahren geeignete Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
24 aufgezeigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 24 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben,
wobei die Unteransprüche
22 und 23 konkrete Anwendungen des neuen Verfahrens betreffen und
wobei sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung
auch aus den abhängigen
Ansprüchen
zu dem Verfahren ableiten lassen.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verfahren ist der von dem optischen Signal gezielt ausgelassene
Teilbereich, in dem keine oder zumindest im Wesentlichen keine Veränderung
der Substanz erfolgt, ein lokales Intensitätsminimum des optischen Signals.
Gleichzeitig wird das optische Signal außerhalb des gezielt ausgelassenen
räumlich
begrenzten Teilbereichs so aufgebracht, dass beim Verändern der
Substanz mit dem optischen Teilbereich die Sättigung erreicht wird. Im Ergebnis
sind die Abmessungen des Teilbereichs, in dem die Substanz durch
das optische Signal nicht verändert
ist, kleiner als die Beugungsgrenze.
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Das
lokale Intensitätsminimum
des optischen Signals wird bei dem neuen Verfahren durch Interferenz
erzeugt. Dabei ist der Begriff Interferenz sehr weit zu fassen.
So werden nicht zwingend zwei oder noch mehr Lichtstrahlen miteinander überlagert. Beispielsweise
können
auch die beim Fokussieren eines Lichtstrahls auftretenden Interferenzeffekte
genutzt werden.
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Die
Sättigung
beim Verändern
der Substanz mit dem optischen Signal wird erreicht, indem das optische
Signal außerhalb
des gezielt ausgelassenen räumlich
begrenzten Teilbereichs mit einer Intensität oberhalb eines Sättigungsgrenzwerts
aufgebracht wird, ab dem die Substanz von dem optischen Signal vollständig bzw.
zumindest im Wesentlichen vollständig
verändert
wird. Es versteht sich, dass zum Unterschreiten der Beugungsgrenze
der Sättigungsgrenzwert
nicht nur am Ort der Intensitätsmaxima
erreicht wird, die dem Intensitätsminimum
in dem räumlich begrenzten
Teilbereich benachbart sind. Vielmehr muss der Sättigungsgrenzwert auch näher an dem lokalen
Intensitätsminimum
liegend überschritten werden,
um die Beugungsgrenze effektiv zu unterschreiten. Dies ist durch
eine Erhöhung
der Intensität des
optischen Signals zu erreichen.
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Das
neue Verfahren kann dazu genutzt werden, ein-, zwei- oder auch dreidimensionale
Strukturen in dem Schreibbereich zu erzeugen. Dabei versteht sich,
dass der Schreibbereich entsprechend der gewünschten Dimensionalität der Struktur
ausgebildet und mit der Substanz versehen sein muss. Vorzugsweise
ist die Substanz in dem Schreibbereich homogen verteilt oder systematisch
angeordnet, um für
gleichbleibende Verhältnisse über den
gesamten Schreibbereich zu sorgen.
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Um
die Struktur in dem Schreibbereich vollständig auszubilden, ist es vorgesehen,
dass der Schreibbereich mit dem von dem optischen Signal gezielt
ausgelassenen Teilbereich abgerastert wird. Da die Struktur auch
in mehreren voneinander beabstandeten Punkten, d.h. mehreren räumlich begrenzten
Teilbereichen, gleichzeitig erzeugt werden kann, kann der Schreibbereich
auch mit mehreren von dem optischen Signal gezielt ausgelassenen
Teilbereichen gleichzeitig abgerastert werden. Damit wird der Zeitbedart
für die
Erzeugung der jeweiligen Struktur reduziert.
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Da
jede von dem optischen Signal gezielt ausgelassene Teilbereich ein
lokales Intensitätsminimum
eines Interferenzmusters ist, kann das Abrastern durch die Verschiebung eines
oder mehrerer Interferenzminima des optischen Signals erfolgen.
Diese Verschiebung kann durch eine Phasenverschiebung der interferierenden
Strahlen bewirkt werden.
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Bei
dem neuen Verfahren kann das optische Signal direkt das Schreibsignal
sein, mit dem die gewünschte
Struktur erzeugt wird. Dazu ist die Substanz aus der Gruppe von
Substanzen auszuwählen, die
mit dem optischen Signal dauerhaft aus einem Ausgangszustand in
einen veränderten
Zustand veränderbar
sind. Die von dem optischen Signal gezielt ausgelassenen Bereiche
sind dann die gewünschte Struktur
mit einer Ortsauflösung
unterhalb der Beugungsgrenze. Das Unterschreiten der Beugungsgrenze
wird dabei nicht nur dann erreicht, wenn die erzeugte Struktur Abmessungen
unterhalb der Beugungsgrenze aufweist, sondern auch dann, wenn die Übergänge zu der
Struktur schärfer
als durch die Beugungsgrenze vorgegeben sind. Konkret können bei
der Ausführungsform
des neuen Verfahrens, bei der das optische Signal direkt als Schreibsignal
dient, Datenpunkte in einen optischen Speicher eingeschrieben werden,
die sich durch besondere Schärfe und
geringe Abmessungen auszeichnen, während ihr Abstand weiterhin
durch die Beugungsgrenze definiert ist.
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Bei
einer zweiten grundsätzlichen
Ausführungsform
des neuen Verfahrens kann auch der Abstand solcher Datenpunkte unter
die Beugungsgrenze gebracht werden. Hierzu wird die Substanz aus der
Gruppe von Substanzen ausgewählt,
die mit dem optischen Signal wiederholt aus einem ersten Zustand
mit ersten Eigenschaften in einen zweiten Zustand mit zweiten Eigenschaften überführbar sind und
die aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zurück bringbar
sind, wobei die Substanz nur in dem ersten Zustand mit einem Schreibsignal
dauerhaft in den anderen Zustand veränderbar ist. D.h., hier ist
das optische Signal noch nicht das Schreibsignal, welches zusätzlich aufgebracht
wird. Das optische Signal wird vielmehr genutzt, um die Substanz außerhalb
des gezielt ausgelassenen Teilbereichs in den Zustand zu versetzen,
der hier als zweiter Zustand bezeichnet ist und aus dem heraus keine
dauerhafte Veränderung
der Substanz mit dem Schreibsignal erfolgt. Die nur vorübergehende Überführung der
Substanz mit dem optischen Signal von ihrem ersten Zustand in ihren
zweiten Zustand ist bei dieser zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens
Voraussetzung dafür,
dass auch beim Abstand der Details der erzeugten Struktur die Beugungsgrenze
unterschritten werden kann. Die Struktur wird immer nur in einem
Teilbereich mit dem Schreibsignal verändert, der kleinere Abmessungen
als die Beugungsgrenze aufweist. Ob in der Umgebung dieses Teilbereichs
weitere Veränderungen vorgenommen
werden, ist hierdurch noch nicht vorgegeben. Die ersten und zweiten
Eigenschaften der Substanz in ihrem ersten und ihrem zweiten Zustand
müssen
nicht zwingend "binär" sein, d.h. die Veränderbarkeit
der Substanz mit dem Schreibsignal braucht nicht in dem ersten Zustand
zu 100 % und in dem zweiten Zustand zu 0 % vorzuliegen. Es ist vielmehr
ausreichend, wenn diese Eigenschaften in Bezug auf das Schreibsignal
so große
Unterschiede aufweisen, dass eine eindeutige Zuordnung des Schreibsignals zu
dem ersten Zustand gegeben ist, so dass die Substanz im Wesentlichen
nur in ihrem ersten Zustand von dem Schreibsignal dauerhaft verändert wird.
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In
einer bevorzugten Variante der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens
ist das Schreibsignal, das zusätzlich
zu dem optischen Signal aufgebracht wird, ebenfalls ein optisches
Signal. In diesem Fall umfassen die ersten und die zweiten Eigenschaften
der Substanz in ihrem ersten und ihrem zweiten Zustand auch unterschiedliche
optische Eigenschaften, wobei nur die ersten Eigenschaften das optische
Schreibsignal unterstützen.
Das Schreibsignal kann auch aus dem nicht sichtbaren Bereich des
elektromagnetischen Spektrums kommen, beispielsweise aus dem fernen
Infrarot- oder dem Mikrowellenbereich. Ebenso können elektromagnetische Strahlen
einer Wellenlänge
kleiner 250 nm als optisches Schreibsignal zum Einsatz kommen. In jedem
Fall bleibt als Vorteil gegenüber
dem Stand der Technik, dass das Schreibsignal nicht auf den Teilbereich
fokussiert werden muss, der innerhalb des Schreibbereichs dauerhaft
verändert
werden soll, denn die räumliche
Festelegung der dauerhaft zu verändernden
Teilbereiche erfolgt durch die räumliche
Festlegung des zweiten Zustands der Substanz mit Hilfe des optischen
Signals. So kann das Schreibsignal auch ein nicht-elektromagnetisches
Signal, also beispielsweise thermisch oder chemisch, sein.
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Substanzen
mit zwei unterschiedlichen Zuständen
mit unterschiedlichen Eigenschaften, die für das neue Verfahren geeignet
sind, können
aus der Untergruppe von Substanzen ausgewählt werden, bei denen die beiden
Zustände
mit den unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedliche Konformationszustände eines
Moleküls
oder einer Molekülgruppe
oder unterschiedliche chemische Bindungen aufweisen und/oder durch
eine Photoisomerisierung oder Photozyklisierung ineinander überführbar sind. Das
optische Signal kann bei der Substanz entsprechend eine Umlagerung
von Bindungen oder Atomgruppen, eine cis-trans Isomerisierung, eine
Zyklisierungsreaktion, eine Protonierung/De-Protonierung, eine Spin-Umklappung, eine
Orientierungsänderung von
Molekülen
oder Molekülgruppen,
und/oder einen Elektronentransfer und/oder Energietransfer zwischen
verbundenen Molekülen
oder Moleküluntereinheiten
auslösen.
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Ein
großer
Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, dass die beiden Zustände mit
den ersten und zweiten Eigenschaften vieler in Frage kommender Substanzen
eine um ein Vielfaches längere
Lebensdauer als beispielsweise an einer Fluoreszenz beteiligte Energiezustände eines
Farbstoffs aufweisen. Zudem sind die Intensitäten, die zum Erreichen der
Sättigung
beispielsweise einer Konformationsänderung erforderlich sind,
relativ gering. Zustandsänderungen,
bei denen der Ausgangszustand und/oder der Endzustand relativ langlebig
(größer 100
ns) ist, können
mit vergleichsweise niedrigen Intensitäten des optischen Signals bewirkt
werden. Je langlebiger die Zustände
sind, desto geringer sind die benötigten Intensitäten.
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Bevorzugt
sind bei der zweiten Ausführungsform
des neuen Verfahrens Substanzen, die mit einem Schaltsignal aus
dem zweiten Zustand in den ersten Zustand überführbar sind. Mit dem Schaltsignal
kann dann die Überführung der
Substanz mit dem optischen Signal in den zweiten Zustand gezielt
rückgängig gemacht
werden. Das Schaltsignal kann ein optisches Schaltsignal sein. Es
kann sich aber auch um ein elektrisches oder thermisches Signal
oder auch ein Signal aus dem nichtoptischen Teil des elektromagnetischen
Spektrums handeln. Es ist weiterhin möglich, dass die Substanz spontan
in ihren ersten Zustand zurückkehrt,
d.h. bei Umgebungstemperatur thermisch getrieben. So ist es bekannt,
dass Moleküle,
die eine photoinduzierte cis-trans Isomerisierung durchlaufen, rein
thermisch in den ersten Zustand zurück kommen können. Mit einem Schaltsignal,
das die Substanz gezielt in den ersten Zustand zurück bringt,
kann das Verfahren aber in aller Regel beschleunigt oder zumindest
besser kontrolliert werden.
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Um
unerwünschte
Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Signalen bei der zweiten Ausführungsform
des neuen Verfahren auszuschließen,
ist es bevorzugt, wenn die dauerhafte Veränderung der Substanz mit dem
Schreibsignal in den anderen Zustand weder durch das optische Signal
noch durch das Schaltsignal rückgängig gemacht
wird.
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Das
Schaltsignal wird vor oder, sofern das erfolgreiche Überführen der
Substanz in den zweiten Zustand durch das optische Signal hierdurch
nicht grundsätzlich
in Frage gestellt wird, zusammen mit dem optischen Signal auf den
Schreibbereich aufgebracht.
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Insbesondere
ist es nicht erforderlich, das Schaltsignal auf die Teilbereiche
des Schreibbereichs einzugrenzen, in denen aktuell die Struktur
erzeugt wird. Die räumliche
Eingrenzung beim Erzeugen der Struktur wird bei dem neuen Verfahren
durch das optische Signal geleistet.
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Das
Schreibsignal, das bei der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens
ebenfalls nicht auf die zu verändernden
Teilbereiche des Schreibbereichs lokalisiert zu werden braucht,
wird nach oder gleichzeitig mit dem optischen Signal auf die Probe aufgebracht.
Bei einer gleichzeitigen Aufbringung ist wieder zu beachten, dass
keine wechselseitige Störung
auftreten darf.
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Obwohl,
wie voranstehend angesprochen, eine zeitliche Überschneidung der Signale möglich ist,
wird das Verständnis
der zweiten Ausführungsform
des neuen Verfahrens bei einer Betrachtung der folgenden Signalabfolgen
erleichtert, die sich zyklisch wiederholt. Die Substanz befindet
sich in dem Schreibbereich in ihrem ersten Zustand. Mit dem optischen
Signal wird die Substanz in Teilbereichen des Schreibbereichs in
ihren zweiten Zustand überführt. Hierbei
wird der räumlich
begrenzte Teilbereich ausgelassen, indem die Substanz dauerhaft
verändert werden
soll und in dem sie sich weiterhin in ihrem ersten Zustand befindet.
Mit dem Schreibsignal wird anschließend in dem Teilbereich die
Substanz dauerhaft in ihren anderen Zustand verändert. Hiernach wird die Substanz
in dem Schreibbereich wieder in ihren ersten Zustand gebracht. Dies
kann mit Hilfe des Schaltsignals erfolgen. Danach beginnt der Zyklus wieder
von vorne an einer anderen Stelle des Schreibbereichs. Bei einem
weniger stark lokalisierten Schreibsignal muss auch das optische
Signal, das die Substanz in ihren gegenüber dem Schreibsignal unempfindlichen
zweiten Zustand überführt den Schreibbereich
großflächig abdecken.
Bei einem stärker
lokalisierten Schreibsignal ist dies nicht notwendig. Der Zeitpunkt
des Vorhandenseins der einzelnen Signal bei dem neuen Verfahren
bestimmt sich nach dem Erreichen bestimmter Intensitäten. So können auch
zeitlich periodische Modulationen der Signale vorgenommen werden,
um die zyklische Abfolge der Signals zu realisieren.
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Die
Substanz kann beispielsweise aus der Gruppe der Proteine ausgewählt werden.
Hierzu gehören
die bekannten Proteine asCP (asF595) und T70a/A148S/S165V, welche über zwei
Konformationszustände
mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften verfügen, oder
auch das Green-Fluorescent-Protein (GFP) und davon abgeleitete Mutanten.
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Die
dauerhafte Veränderung
der Substanz in den anderen Zustand kann irreversibel oder reversibel
sein. Wenn sie reversibel ist, sollte ihre Umkehrung weder durch
das Umschaltsignal noch ein anderes der bei der ursprünglichen
Veränderung
eingesetzten Signale bewirkt werden. Vielmehr sollte zur Aufhebung
der Veränderung
ein weiteres Signal mit anderen Eigenschaften notwendig sein.
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Wenn
der andere Zustand der Substanz, in den sie nach dem neuen Verfahren
dauerhaft überführt wird,
beispielsweise eine veränderte
optische Eigenschaft aus der Absorption, Streuung und Polarisierung
umfassenden Gruppe oder eine veränderte Lumineszenz
aus der Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Elektrolumineszenz und Chemolumineszenz
umfassenden Gruppe aufweist, kann die erzeugte Struktur des anderen
Zustands mit einem Teststrahl ausgelesen werden.
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Bei
Ausnutzung der Möglichkeiten
der vorliegenden Erfindung, kann mit dem neuen Verfahren ein optischer
Datenspeicher mit besonders hoher Datendichte beschrieben werden,
die nicht mehr durch die Beugungsgrenze limitiert ist. Ebenso können Mikro- und
Nanostrukturen mit einer über
die Beugungsgrenze hinaus verbesserten Auflösung geschrieben bzw. ausgebildet
werden.
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Die
im Anspruch 24 definierte neue Vorrichtung kann zur Durchführung der
zweiten Ausführungsform
des neuen Verfahrens verwendet werden und eignet sich besonders
als optischer Datenspeicher.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Im
Folgenden werden die Grundlagen der Erfindung anhand von in den
Figuren dargestellten Details weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt symbolisch zwei
unterschiedliche Zustände
eines Moleküls,
das als Substanz bei der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens einsetzbar
ist.
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2 zeigt eine beispielhafte
zyklische Abfolge von Signalen bei der zweiten Ausführungsform des
neuen Verfahrens.
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3 zeigt schematisch eine
Anordnung zur Durchführung
des neuen Verfahrens.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt Strukturformeln
und Energiezustände
eines Moleküls,
das sich in zwei verschiedenen Zuständen A und B befinden kann.
Aus dem Zustand A heraus, der in der voranstehenden Beschreibung
und in den Ansprüchen
auch als erster Zustand bezeichnet ist, ist das Molekül mit einem
Schreibsignal 3 in einen hier selbst nicht dargestellten
anderen Zustand dauerhaft veränderbar;
aus dem Zustand A heraus, der in der vorangegangenen Beschreibung und
in den Ansprüchen
auch als erster Zustand bezeichnet ist, hingegen nicht. Konkret überführt das optische
Schreibsignal 3 das Molekül im Zustand A hier aus einem
energetischen Grundzustand 1 in einen energetisch angeregten
Zustand 2, aus dem heraus es dauerhaft in den nicht dargestellten
anderen Zustand gelangt. Dabei sind die Zustände A und B zwei Isomere (trans
und cis) eines Moleküls,
das mittels Photoisomerisation durch ein optisches Signal 4 aus
dem Zustand A in den Zustand B und durch ein ebenfalls optisches
Schaltsignal 5 aus dem Zustand B zurück in den Zustand A überführbar ist.
Das Schreibsignal 3 bewirkt im Zustand B aus Gründen zu
geringer Photonenenergie keine dauerhafte Veränderung, da der hier höher liegende
energetisch angeregte Zustand 2 nicht erreicht wird.
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2 zeigt eine bevorzugte
zyklische Abfolge der Signale, das heißt des optischen Signals 4, des
Schaltsignals 5 und des Schreibsignals 3. Neben den
Zuständen
A und B ist in den Teilfiguren 2 c) bis e) auch der dauerhaft veränderte Zustand
C der betrachteten Substanz wiedergegeben. Die von den Teilfiguren
dargestellte Abfolge ist: a) Das Schaltsignal 4 schaltet
die Substanz in den beschreibbaren Zustand A. b) Das über mindestens
ein lokales Intensitätsminimum 9 verfügende optische
Signal 5 wird auf den Schreibbereich 7 appliziert
und schaltet die Substanz außerhalb
des Intensitätsminimums 9 vom Zustand
A in den Zustand B. Aufgrund der Sättigung des Umschaltprozesses
ist der räumliche
Teilbereich, in dem die Substanz noch im Zustand A verbleibt, auf Abmessungen
reduziert, die nur von dem Sättigungsgrad
und der ursprünglichen
Steilheit oder Breite des Intensitätsminimums abhängig sind.
c) Das Schreibsignal 3 überführt die
Substanz im Zustand A, aber nicht diejenigen im Zustand B dauerhaft
in den Zustand C. d) Das Schaltsignal 4 schaltet die nicht
in den Zustand C überführte Substanz
wieder in den Zustand A. 5) Das optische Signal 5 wird
erneut appliziert, wobei die Nullstelle 16 des mindestens
einen Intensitätsminimums 9 an
einen anderen Ort des Schreibbereichs 7 positioniert wird.
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3 zeigt schematisch eine
mögliche
Anordnung zur Durchführung
der Erfindung. Optische Strahlen 10 des optischen Signals 5 werden
durch einen Wellenfrontdeformator 12 so deformiert, dass
sie nach dem Passieren eines dichroitischen Spiegels 13 und
eines Objektivs 14 in dem Schreibbereich 7 ein
Interterenzmuster mit dem die Nullstelle 16 aufweisenden
Intensitätsminimum 9 ausbilden.
Das optische Signal sättigt
den Übergang 6 von
dem Zustand A in den Zustand B, so dass entlang der wiedergegebenen
Ortskoordiante X nur ein Subdiffraktionsbereich der Substanz im
Zustand A verbleibt. Das Schreibsignal 3, das über den
dichroitischen Spiegel 13 und das Objektiv 4 auf
den Schreibbereich 7 aufgebracht wird, überführt die Substanz im Zustand
A dauerhaft in den anderen Zustand C.