Международная команда ученых разработала уникальный метод визуализации, который позволяет оптическим микроскопам достигать исключительно высокой разрешающей способности — до 1 нанометра. Технология получила название ULA-SNOM, что расшифровывается как сканирующая близкопольная оптическая микроскопия с низкой амплитудой колебаний зонда.
Об этом сообщает ProIT
Преимущества нового метода ULA-SNOM
Современные оптические микроскопы играют ключевую роль в медицине и материаловедении, однако их традиционная дифракционная граница не позволяет различать объекты, меньшие 200 нанометров. Именно это ограничение долгое время не позволяло исследователям наблюдать взаимодействие света с отдельными атомами и молекулами, что крайне важно для развития электроники, квантовой физики и новых материалов.
Используя ULA-SNOM, исследователи смогли преодолеть эту границу. В основе метода лежит сканирующая близкопольная оптическая микроскопия рассеяния (s-SNOM). В эксперименте специально изготовленное острое металлическое острие из полированного серебра освещается лазером и сканирует поверхность образца. Свет рассеивается, создавая нанометровые узоры, которые позволяют получить изображение с разрешением до уровня отдельных атомов.
«Схема ULA-SNOM. Рассеиваение света от сильно ограниченного ближнего поля, усиленного областью пико-полости, может быть обнаружено при колебаниях острия с амплитудой 1 нм/Science Advances»
Главной инновацией стало уменьшение амплитуды колебаний острия до 0,5–1 нанометра, что примерно равно ширине трех атомов. Такой точный движение обеспечило возможность получать оптические сигналы исключительной четкости, фиксируя мельчайшие структурные детали, недоступные для традиционных оптических приборов. В то же время большая амплитуда негативно сказывалась бы на разрешении, а меньшая — приводила бы к шумам в сигнале.
Реализация эксперимента и перспективы технологии
Для создания идеально гладкой и стабильной поверхности острия использовался сфокусированный ионный пучок, а на него направлялся луч красного лазера с длиной волны 633 нанометра и мощностью 6 милливатт. В результате между острием и поверхностью образца возникала плазмонная полость — чрезвычайно маленькая «карман» света объемом всего 1 кубический нанометр, что позволяло ей взаимодействовать с материалом на атомном уровне.
Для стабильности всей системы эксперимент проводился при температуре −265°C в сверхвысоком вакууме, что минимизировало вибрации и загрязнения. Для усиления сигнала и отсечения фона использовался метод самогомодного детектирования, что обеспечивало получение более точных результатов.
ULA-SNOM позволил получить изображения атомных кремниевых островков на поверхности серебра. Несмотря на то, что высота таких островков составляла всего один атом, новый микроскоп четко определял границу между кремнием и серебром не только по форме, но и по реакции материалов на свет. Устройство одновременно измеряло электропроводность и механические свойства образцов, сочетая возможности сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии.
Анализируя реакцию зонда на гармониках различных частот, ученые смогли четко разделить сигналы от разных материалов. В частности, четвертая гармоника позволила выявить мельчайшие различия в оптическом поведении. Впервые исследователям удалось наглядно увидеть, как отдельный атом или дефект влияет на оптические свойства материала.
Эта разработка открывает перспективы для точного проектирования наноструктур в электронике, создания новых фотонных материалов и совершенствования солнечных элементов, способных более эффективно поглощать свет. Достижение подтверждает возможность получения настоящего оптического контраста на уровне отдельных атомов, что станет прорывом для многих областей науки и технологий.
