Міжнародна команда науковців розробила унікальний метод візуалізації, що дозволяє оптичним мікроскопам досягати надзвичайно високої роздільної здатності — до 1 нанометра. Технологія отримала назву ULA-SNOM, що розшифровується як сканувально-близькопольна оптична мікроскопія з наднизькою амплітудою коливань зонда.
Про це розповідає ProIT
Переваги нового методу ULA-SNOM
Сучасні оптичні мікроскопи відіграють ключову роль у медицині та матеріалознавстві, однак їх традиційна дифракційна межа не дозволяє розрізняти об’єкти, менші за 200 нанометрів. Саме це обмеження довгий час не давало змоги дослідникам спостерігати взаємодію світла з окремими атомами та молекулами, що є вкрай важливим для розвитку електроніки, квантової фізики та нових матеріалів.
Використовуючи ULA-SNOM, дослідники змогли подолати цю межу. В основі методу лежить скануюча близькопольна оптична мікроскопія розсіювального типу (s-SNOM). В експерименті спеціально виготовлене гостре металеве вістря з полірованого срібла освітлюється лазером і сканує поверхню зразка. Світло розсіюється, створюючи нанометрові візерунки, які дозволяють отримати зображення з роздільною здатністю до рівня окремих атомів.
“Схема ULA-SNOM. Розсіювання світла від сильно обмеженого ближнього поля, посиленого областю пікопорожнини, може бути виявлено при коливаннях вістря з амплітудою 1 нм/Science Advances”
Головною інновацією стало зменшення амплітуди коливань вістря до 0,5–1 нанометра, що приблизно дорівнює ширині трьох атомів. Такий точний рух забезпечив можливість отримувати оптичні сигнали надзвичайної чіткості, фіксуючи найдрібніші структурні деталі, недоступні для традиційних оптичних приладів. Водночас більша амплітуда негативно впливала б на роздільну здатність, а менша — призводила до шумів у сигналі.
Реалізація експерименту та перспективи технології
Для створення ідеально гладкої та стабільної поверхні вістря застосовувався сфокусований іонний пучок, а на нього спрямовувався промінь червоного лазера з довжиною хвилі 633 нанометри та потужністю 6 міліватів. У результаті між вістрям і поверхнею зразка виникала плазмонна порожнина — надзвичайно маленька «кишеня» світла об’ємом лише 1 кубічний нанометр, що дозволяло їй взаємодіяти з матеріалом на атомному рівні.
Для стабільності всієї системи експеримент проводили при температурі −265°C у надвисокому вакуумі, що мінімізувало вібрації та забруднення. Для посилення сигналу і відсіювання фону використовувався метод самогомодного детектування, що забезпечив отримання більш точних результатів.
ULA-SNOM дозволив отримати зображення атомних кремнієвих острівців на поверхні срібла. Попри те, що висота таких острівців становила лише один атом, новий мікроскоп чітко визначав межу між кремнієм і сріблом не лише за формою, а й за реакцією матеріалів на світло. Пристрій водночас вимірював електропровідність і механічні властивості зразків, поєднуючи можливості скануючої тунельної та атомно-силової мікроскопії.
Аналізуючи реакцію зонда на гармоніках різних частот, науковці змогли чітко розділити сигнали від різних матеріалів. Зокрема, четверта гармоніка дала змогу виявити найдрібніші відмінності у оптичній поведінці. Вперше дослідникам вдалося наочно побачити, як окремий атом або дефект впливає на оптичні властивості матеріалу.
Ця розробка відкриває перспективи для точного проєктування наноструктур в електроніці, створення нових фотонних матеріалів та вдосконалення сонячних елементів, здатних ефективніше поглинати світло. Досягнення підтверджує можливість отримання справжнього оптичного контрасту на рівні окремих атомів, що стане проривом для багатьох галузей науки і технологій.
