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