Vedcom padla sánka: Prekonali posledný veľký limit optiky a nazreli priamo do sveta atómov

Vedci po rokoch výskumu prekonali hranice optického mikroskopovania spôsobom, ktorý bol dlho považovaný za nemožný. Optika, ktorá umožňuje vidieť jednotlivé atómy, už nie je víziou sci-fi, ale realitou vďaka prelomovej technike ULA-SNOM, čo znamená ultralow tip oscillation amplitude scattering-type scanning near-field optical microscopy. Ide o metódu, pri ktorej sa špeciálne tvarovaný strieborný hrot pohybuje nad povrchom materiálu s amplitúdou len 0,5 až 1 nanometer, teda v mierke niekoľkých atómov.

Kľúčom k prekonaniu tzv. difrakčného limitu, ktorý tradičným optickým mikroskopom bránil rozlíšiť objekty menšie ako 200 nanometrov, bolo vytvorenie systému s extrémne presným riadením pohybu. Celý experiment prebiehal vo vákuovej komore pri teplote 8 Kelvinov, čo je -265 °C. Kryogénne podmienky eliminovali vibrácie aj kontamináciu. Mikroskop tak dokázal zachytiť svetelnú interakciu s jednotlivými atómami s vysokou presnosťou. Na tému upozornil Interesting Engineering.

Takto detailný obraz vedci ešte nevideli

Základom ULA-SNOM je upravená verzia existujúcej techniky s názvom s-SNOM, pri ktorej sa kovový hrot osvetľuje laserom a následne skenuje po povrchu materiálu. Svetlo rozptýlené z povrchu vytvára vzory, ktoré zobrazujú nanoskopické detaily. Bežné s-SNOM zariadenia však dosahujú rozlíšenie len 10 až 100 nanometrov, čo nestačí na zobrazenie atómových štruktúr. Nová technológia s extrémne malou osciláciou hrotu túto hranicu prekonala.

Pixabay/Unsplash

Použitý hrot bol vyrobený zo starostlivo lešteného striebra a tvarovaný iónovým lúčom tak, aby mal hladký a stabilný povrch. Do hrotu smeroval červený laser s vlnovou dĺžkou 633 nanometrov a výkonom 6 miliwattov. Laser vytváral plazmónovú dutinu, teda drobnú svetelnú kapsulu o objeme len jedného kubického nanometra. Táto kapsula slúžila ako kontakt medzi svetlom a atómami materiálu, čo umožnilo presnú detekciu svetelných interakcií.

Vedci navyše využili metódu samo-homodynovej detekcie, ktorá pomohla odstrániť šum a zlepšiť kvalitu signálu. Výsledný mikroskopický systém dokázal zaznamenať nielen optické informácie, ale zároveň aj meral elektrickú vodivosť a mechanické vlastnosti skúmaného materiálu pomocou integrovaných prvkov skenujúcej tunelovacej mikroskopie a atómovej silovej mikroskopie.

Obrazy s detailmi až na úrovni atómu

Pri testovaní tejto technológie vedci zobrazili ostrovčeky kremíka s hrúbkou jedného atómu, uložené na striebornej podložke. Mikroskop jasne ukázal hranicu medzi kremíkom a striebrom. Zaznamenal aj to, ako sa tieto materiály opticky líšia. Štvrtý harmonický frekvenčného spektra bol obzvlášť citlivý na rozdiely medzi nimi, čo umožnilo získať najostrejší obraz.

Pri porovnaní s tradičným STM zariadením, ktoré je štandardom pre zobrazovanie atómových štruktúr, vedci zistili, že rozlíšenie ULA-SNOM bolo takmer identické. STM dosiahlo 0,9 nanometra, zatiaľ čo nový optický mikroskop zobrazil detaily s presnosťou približne 1 nanometer.

Tento prelom otvára cestu k novým objavom v elektronike, kvantových materiáloch aj vývoji efektívnejších solárnych článkov. Pozorovanie správania svetla pri kontakte s jednotlivými atómami umožňuje navrhovať nanoštruktúry s presne definovanými vlastnosťami. Ide o revolučný krok, ktorý zásadne mení možnosti optického zobrazovania na atómovej úrovni.

Čítajte viac z kategórie: Novinky