Svetlo je už viac než storočie základným nástrojom na skúmanie mikrosveta. Umožnilo vznik optických mikroskopov, ktoré odhalili bunky, baktérie aj štruktúry v nanometrovom meradle. Zároveň však fyzika vlnového charakteru svetla dlhodobo určovala neprekročiteľnú hranicu jeho rozlíšenia.

Takzvaný difrakčný limit hovorí, že svetlo nemožno zaostriť na oblasť menšiu, než je jeho vlastná vlnová dĺžka. To znamená, že jednotlivé atómy zostávali pre optické metódy prakticky neviditeľné.

Tím fyzikov z University of Regensburg teraz túto hranicu posunul spôsobom, ktorý bol donedávna považovaný za nemožný, informuje najnovšia štúdia. Pomocou bežného kontinuálneho laseru a extrémne ostrého kovového hrotu sa im podarilo dosiahnuť optické rozlíšenie približne 0,1 nanometra, čo zodpovedá vzdialenosti medzi jednotlivými atómami v pevnej látke. Ide o zlepšenie rozlíšenia takmer o päť rádov v porovnaní s klasickou optickou mikroskopiou.

Prekonanie difrakčného limitu bez ultrakrátkych impulzov

Základ experimentu tvorí kovový hrot zúžený do takmer ihlovej špičky, ktorý je priblížený k povrchu skúmanej vzorky na vzdialenosť menšiu než veľkosť atómu. Do tejto oblasti výskumníci nasvietili kontinuálny stredne infračervený laser. Už samotné sústredenie elektromagnetického poľa do extrémne malého objemu na konci hrotu umožňuje prekonať klasické optické limity a dosiahnuť rozlíšenie v rozsahu niekoľkých nanometrov.

Zlom však nastal až v momente, keď sa hrot priblížil k povrchu ešte viac. Pri subatomárnych vzdialenostiach sa objavil prudký nárast optického signálu, ktorý vykazoval zmeny na úrovni angströmov. Tento efekt sa objavil napriek tomu, že systém nevyužíval silné ultrarýchle laserové impulzy, ale stabilné, nízkoenergetické žiarenie.

Kvantové tunelovanie ako zdroj svetla

Vysvetlenie javu sa nachádza v kvantovej mechanike. Aj keď sa hrot a povrch fyzicky nedotýkajú, elektróny dokážu tunelovať cez extrémne úzku medzeru medzi nimi. Elektrické pole laseru tieto elektróny periodicky rozkmitáva. Ich pohyb následne generuje veľmi slabé elektromagnetické žiarenie, ktoré je možné detegovať optickými metódami.

Kľúčové je, že intenzita tohto žiarenia priamo súvisí s kvantovým tunelovaním elektrónov, ktoré prebieha v priestore obmedzenom na atómové rozmery. Rozlíšenie už teda neurčuje vlnová dĺžka svetla, ale presnosť, s akou je možné kontrolovať a merať pohyb elektrónov v kvantovej medzere.

Midjourney/Bing

Nová kapitola optickej mikroskopie

Objav ukazuje, že optické techniky môžu preniknúť do mierok, ktoré boli doteraz doménou elektrónovej mikroskopie alebo skenovacích sond. Zároveň ide o metódu, ktorá je technologicky dostupnejšia než mnohé existujúce špičkové zobrazovacie systémy, keďže nevyžaduje femtosekundové lasery ani extrémne energetické zdroje.

Autori práce zdôrazňujú, že tento prístup môže zásadne ovplyvniť výskum katalyzátorov, polovodičových štruktúr, kvantových materiálov či molekulovej elektroniky. Ide totiž o oblasti, kde rozhodujú procesy prebiehajúce na úrovni jednotlivých atómov a ich elektronových stavov.

Čítajte viac z kategórie: Novinky