Новый оптический микроскоп «видит» атомы — ученые обошли дифракцию

Международная группа исследователей разработала новый метод визуализации ULA-SNOM, которая позволяет оптическим микроскопам различать детали размером до 1 нанометра.

Современные оптические микроскопы широко используются в медицине и материаловедении, позволяя исследователям наблюдать за клетками, вирусами и поведением частиц в наноматериалах. Однако даже самые мощные микроскопы имеют фундаментальное ограничение, известное как дифракционный предел. Это не позволяет им четко видеть объекты размером менее 200 нанометров.

Из-за этого ограничения ученые не могли наблюдать за тем, как свет взаимодействует с отдельными атомами и молекулами. Это критически важно для дальнейшего развития материаловедения, электроники и квантовой физики.

Новый метод визуализации ULA-SNOM (сканирующе-близкопольная оптическая микроскопия со сверхнизкой амплитудой колебаний зонда) позволяет исследователям наблюдать за тем, как ведет себя свет на уровне отдельных атомов. До этого такие наблюдения можно было проводить только с помощью электронных микроскопов. 

Чтобы преодолеть ограничения традиционной оптики, исследователи использовали метод, называемый сканирующей ближнепольной оптической микроскопией рассеивающего типа (s-SNOM). Металлическое острие освещается лазером и сканирует поверхность материала. 

Свет рассеивается по поверхности, формируя узоры, обнаруживающие объекты в наномасштабе. Однако традиционные установки s-SNOM достигают разрешения всего в 10-100 нанометров. Используя новый подход, исследователи смогли довести колебания острия до невероятно низкого уровня. Острие совершало колебания с амплитудой от 0,5 до 1 нанометра, что примерно соответствует ширине трех атомов. 

Это точное движение достаточно велико для регистрации оптических сигналов, но при этом достаточно мало для обнаружения мелких структурных деталей. Большая амплитуда ухудшила бы оптическое разрешение, а меньшая — перегрузила бы сигнал шумом. 

Острие было изготовлено из полированного серебра, которому придали точную форму с помощью сфокусированного ионного пучка для обеспечения гладкой и стабильной поверхности. На острие направлялся луч красного лазера с длиной волны 633 нанометра и мощностью шесть милливатт, создавая явление, называемое плазмонной полостью, — крошечный ограниченный карман света, образующийся между острием и поверхностью образца.

Эта полость была сжата до 1 куб. нанометра, что позволяло ей взаимодействовать с материалом на уровне отдельных атомов. Для поддержания стабильности этой сложной установки весь эксперимент проводился в сверхвысоком вакууме и при сверхнизкой температуре -265°C.

Низкие температуры исключали лишние вибрации и загрязнения, помогая сканирующему устройству оставаться точно на расстоянии 1 нанометра от поверхности. Чтобы отфильтровать фоновый свет и усилить реальный сигнал, исследователи использовали специализированный метод — самогомодинного детектирования. Благодаря этому удалось получить более четкие и надежные данные.

Исследователи использовали установку и метод ULA-SNOM для получения изображений кремниевых островков толщиной 1 атом, размещенных на поверхности серебра. Несмотря на то, что высота этих кремниевых слоев составляла всего один атом, микроскоп смог четко показать, где заканчивается кремний и начинается серебро, не только с точки зрения формы, но и с точки зрения того, как каждый материал реагирует на свет.

Это подтвердило, что новый метод визуализации позволяет улавливать настоящий оптический контраст с разрешением на уровне отдельных атомов. К тому же устройство одновременно собирало различные виды информации, замеряя электропроводность, механические свойства, используя встроенные возможности сканирующей туннельной микроскопии и атомно-силовой микроскопии.

Анализируя реакцию зонда на разных частотах вибрации (гармониках), ученые смогли разделить сигналы от источников. В частности, четвертая гармоника выявила самые четкие различия в оптическом поведении различных материалов.

Впервые исследователи смогли ясно увидеть, как отдельный атом или дефект влияет на оптические свойства материала. Эта разработка потенциально может привести к точному проектированию наноструктур в электронике, открытию новых фотонных материалов или даже к созданию более совершенных солнечных элементов, которые эффективнее поглощают свет.

Результаты исследования опубликованы в Science Advances

Источник: Interesting Engineering