Оптическая микроскопия вышла на атомный уровень с помощью квантового туннелирования
Учёные совершили прорыв в оптической микроскопии, преодолев вековое фундаментальное ограничение и впервые получив возможность исследовать вещество на уровне отдельных атомов с помощью обычного лазера. Исследовательская группа из Университета Регенсбурга использовала комбинацию непрерывного лазера и острой металлической иглы, чтобы добиться оптического разрешения около 0,1 нанометра, что сравнимо с межатомным расстоянием.
На протяжении более столетия дифракционный предел, обусловленный волновой природой света, не позволял оптическим микроскопам различать объекты размером меньше длины волны, оставляя атомы недоступными для прямого наблюдения. Новая методика кардинально меняет эту ситуацию. Как пояснил один из авторов работы Валентин Бергбауэр, этот «квантовый скачок продвигает оптическую микроскопию к масштабам, почти в 100 000 раз меньшим, чем могут разрешить обычные световые микроскопы».
Суть метода заключается в том, что чрезвычайно острая металлическая игла подводится к поверхности образца на расстояние меньшее, чем размер атома. При облучении этой системы лазером среднего инфракрасного диапазона свет концентрируется в сверхмалом зазоре. Когда иглу приблизили ещё сильнее, произошло неожиданное: оптический сигнал резко усилился и стал демонстрировать изменения на субнанометровом (ангстремном) уровне. Ведущий исследователь, докторант Феликс Шигль, отметил, что настоящим сюрпризом стало осознание того, что они разрешают детали вплоть до 0,1 нанометра.
Физической основой этого явления стал квантовый туннельный эффект. Электроны туннелируют через узкий промежуток между остриём и образцом, а электрическое поле лазера заставляет их колебаться. Это движение, подобное движению зарядов в антенне, генерирует слабый электромагнитный сигнал, который учёные смогли детектировать. Таким образом, разрешение перестало ограничиваться классическим фокусированием света и стало определяться контролем над квантовым движением электронов в атомных масштабах.
Важным практическим аспектом открытия является использование стандартных непрерывных лазеров вместо сложных и дорогих сверхбыстрых импульсных систем, что делает методику потенциально доступной для многих лабораторий. По мнению исследователей, эта работа открывает путь к оптической визуализации с беспрецедентным разрешением, позволяя изучать взаимодействие света с материей на фундаментальном уровне в таких областях, как катализ, полупроводники, квантовые материалы и молекулярная электроника.
Результаты исследования в журнале Nano Letters.