Limit svetla podliezli 100 000-násobne. Prelom kompletne zmení výskum materiálov

Optická mikroskopia sa dlhé desaťročia pohybovala v jasne vymedzených hraniciach. Svetlo je výborný nositeľ informácie, no jeho vlnová povaha znamená, že ho nemožno „zlisovať“ do bodu menšieho než je jeho vlnová dĺžka.

Aj tie najlepšie klasické optické mikroskopy sa preto zastavujú na rozlíšení v desiatkach nanometrov, čo je oblasť ďaleko nad mierkou jednotlivých atómov. Ak si chcel vidieť atóm, musel si siahnuť po elektrónových mikroskopoch alebo po skenovacích sondách, nie po svetle.

Zmena prístupu k materiálovému výskumu

Výskum z univerzity v Regensburgu však ukazuje, že toto rozdelenie už nemusí platiť, upozorňuje Interesting Engineering. Vedcom sa podarilo posunúť optické meranie až na subnanometrové vzdialenosti, konkrétne približne 0,1 nanometra.

To je rozlíšenie porovnateľné s medziatómovými vzdialenosťami v pevných látkach. Zásadné pritom je, že nepoužívajú exotické zdroje žiarenia ani extrémne krátke laserové impulzy, ale kontinuálny infračervený laser, aký má k dispozícii veľká časť experimentálnych laboratórií.

Základom metódy je kovový hrot s extrémne ostrým zakončením, ktorý sa priblíži k povrchu skúmaného materiálu na vzdialenosť menšiu než je veľkosť atómu. Už samotné sústredenie svetla do takto malého priestoru výrazne prekračuje klasický difrakčný limit a poskytuje rozlíšenie na úrovni niekoľkých nanometrov. Skutočný zlom však nastáva v okamihu, keď sa hrot dostane ešte bližšie. Vtedy sa začnú uplatňovať kvantové javy, ktoré klasická optika nepozná.

Aj keď sa hrot a povrch fyzicky nedotýkajú, elektróny dokážu tunelovať cez extrémne úzku medzeru medzi nimi. Elektrické pole laseru tieto elektróny rozkmitá a ich pohyb sa správa podobne ako mikroskopická anténa.

Výsledkom je veľmi slabé elektromagnetické žiarenie, ktoré nesie informáciu priamo o kvantových tunelovacích procesoch na atómovej úrovni. Detekciou tohto žiarenia je možné mapovať štruktúru materiálu s rozlíšením, ktoré už neurčuje vlnová dĺžka svetla, ale priestorové obmedzenie elektrónového pohybu.

Midjourney

Z fyzikálneho hľadiska ide o mimoriadne zaujímavý posun. Optická mikroskopia sa tu prestáva správať ako čisto vlnový problém a prechádza do oblasti, kde dominuje kvantová mechanika. Svetlo sa stáva nástrojom na čítanie kvantových dejov, nie ich limitujúcim faktorom. To otvára dvere k štúdiu javov, ktoré doteraz prebiehali mimo dosahu optických metód.

Praktický význam takéhoto prístupu môže byť veľký. Mnohé kľúčové procesy v katalýze, polovodičových štruktúrach či molekulárnej elektronike sa odohrávajú práve na úrovni jednotlivých atómov a chemických väzieb. Ak ich dokážeš pozorovať pomocou svetla, získaš nielen priestorové rozlíšenie, ale aj spektroskopickú informáciu o tom, ako materiál s elektromagnetickým žiarením interaguje.

Čítajte viac z kategórie: Novinky