Новий оптичний мікроскоп «бачить» атоми — вчені обійшли дифракцію

Міжнародна група дослідників розробила новий метод візуалізації ULA-SNOM, яка дозволяє оптичним мікроскопам розрізняти деталі розміром до 1 нанометра.

Сучасні оптичні мікроскопи широко використовуються у медицині та матеріалознавстві, дозволяючи дослідникам спостерігати за клітинами, вірусами та поведінкою частинок у наноматеріалах. Однак навіть найпотужніші мікроскопи мають фундаментальне обмеження, відоме як дифракційна межа. Це не дозволяє їм чітко бачити об’єкти розміром менше 200 нанометрів.

Через це обмеження науковці не могли спостерігати за тим, як світло взаємодіє з окремими атомами та молекулами. Це є критично важливим для подальшого розвитку матеріалознавства, електроніки та квантової фізики.

Новий метод візуалізації ULA-SNOM (сканувально-близькопольна оптична мікроскопія з наднизькою амплітудою коливань зонда) дозволяє дослідникам спостерігати за тим, як веде себе світло на рівні окремих атомів. До цього такі спостереження можна було проводити лише за допомогою електронних мікроскопів. 

Щоб подолати обмеження традиційної оптики, дослідники використали метод, званий скануючою близькопольною оптичною мікроскопією розсіювального типу (s-SNOM). Гостре металеве вістря освітлюється лазером і сканує поверхню матеріалу. 

Світло розсіюється по поверхні, формуючи візерунки, що виявляють об’єкти у наномасштабі. Однак традиційні установки s-SNOM досягають роздільної здатності усього у 10-100 нанометрів. Використовуючи новий підхід, дослідники змогли довести коливання гострого вістря до неймовірно низького рівня. Вістря здійснювало коливання з амплітудою від 0,5 до 1 нанометра, що приблизно відповідає ширині трьох атомів. 

Цей точний рух досить великий для реєстрації оптичних сигналів, але при цьому досить малий для виявлення дрібних структурних деталей. Велика амплітуда погіршила б оптичну роздільну здатність, а менша — перевантажила сигнал шумом. 

Вістря було виготовлено з полірованого срібла, якому надали точної форми за допомогою сфокусованого іонного пучка для забезпечення гладкої та стабільної поверхні. На вістря спрямовувався промінь червоного лазера з довжиною хвилі 633 нанометра і потужністю шість міліватів, створюючи явище, зване плазмонною порожниною, — крихітна обмежена кишеня світла, що утворюється між вістрям і поверхнею зразка.

Ця порожнина була стиснута до 1 куб. нанометра, що дозволяло їй взаємодіяти з матеріалом на рівні окремих атомів. Для підтримки стабільності цієї складної установки весь експеримент проводився в надвисокому вакуумі і при наднизькій температурі −265°C.

Низькі температури виключали зайві вібрації і забруднення, допомагаючи скануючому пристрою залишатись точно на відстані 1 нанометра від поверхні. Щоб відфільтрувати фонове світло та посилити реальний сигнал, дослідники використали спеціалізований метод — самогомодне детектування. Завдяки цьому вдалось отримати більш чіткі і надійні дані.

Дослідники використали установку та метод ULA-SNOM для отримання зображень кремнієвих острівців завтовшки 1 атом, розміщених на поверхні срібла. Незважаючи на те, що висота цих кремнієвих шарів становила лише один атом, мікроскоп зміг чітко показати, де закінчується кремній і починається срібло, не тільки з погляду форми, але і з точки зору того, як кожен матеріал реагує на світло.

Це підтвердило, що новий метод візуалізації дозволяє вловлювати справжній оптичний контраст з роздільною здатністю на рівні окремих атомів. До того ж пристрій одночасно збирав різні види інформації, заміряючи електроповідність, механічні властивості, використовуючи вбудовані можливості скануючої тунельної мікроскопії та атомно-силової мікроскопії.

Аналізуючи реакцію зонда на різних частотах вібрації (гармониках), вчені змогли розділити сигнали від джерел. Зокрема, четверта гармоніка виявила найчіткіші відмінності в оптичній поведінці різних матеріалів.

Вперше дослідники змогли ясно побачити, як окремий атом чи дефект впливає на оптичні властивості матеріалу. Ця розробка потенційно може призвести до точного проектування наноструктур в електроніці, відкриття нових фотонних матеріалів або навіть до створення досконаліших сонячних елементів, що ефективніше поглинають світло.

Результати дослідження опубліковані у Science Advances

Джерело: Interesting Engineering