Исследователи разработали оптический микроскоп, способный визуализировать световое поведение на уровне отдельных атомов — достижение, ранее доступное только электронным микроскопам. Это стало возможным благодаря новому методу визуализации под названием ULA-SNOM — ultralow tip oscillation amplitude scattering-type scanning near-field optical microscopy. Технология позволяет получать изображения с разрешением до одного нанометра, преодолевая, так называемый, дифракционный предел оптической микроскопии.
Дифракционный предел это якобы минимальное значение размера пятна, которое можно получить, с помощью фотонов, но это не факт, а постулат теоретиков верующих в то, что фотоны это не частицы материи, а волны неизвестно чего и в чём. Дифракционный предел был заявлен в 1873 году Эрнстом Аббе, в реальности уже преодолевался.
ULA-SNOM основан на методе s-SNOM, в котором лазер освещает металлический зонд, сканирующий поверхность образца. В описываемой методике амплитуда колебаний зонда снижена до 0,5–1 нанометра.
Зонд изготовлен из полированного серебра и точно сформирован с помощью ионно-лучевой обработки. Для освещения использовался красный лазер с длиной волны 633 нм и мощностью 6 мВт. Между наконечником и образцом формировался плазмонный резонатор — крошечная область, в которой свет сжимался до объёма одного кубического нанометра, что позволило взаимодействовать с веществом на уровне отдельных атомов. Эксперимент проводился в условиях сверхвысокого вакуума и при температуре 8 Кельвинов (–265 °C), что устраняло вибрации и загрязнение.
Чтобы выделить полезный сигнал и повысить точность измерений, команда использовала автогомодинный метод регистрации, позволяющий усилить оптические данные за счёт интерференции сигнала с собственной копией.
Учёные протестировали установку на одноатомных слоях кремния, размещённых на серебряной подложке. Несмотря на минимальную толщину кремниевых островков, микроскоп точно определил границы между кремнием и серебром, различая не только форму, но и их различный отклик на свет.
Результаты подтвердили, что система может давать истинный оптический контраст с атомным разрешением. Кроме того, микроскоп способен одновременно измерять оптические, электрические и механические свойства, используя встроенные функции сканирующей туннельной микроскопии (STM) и атомно-силовой микроскопии. Дополнительно, анализируя реакцию зонда на различные гармоники колебаний, учёные смогли разделять сигналы по источнику. Наибольшую чёткость в различении материалов показала четвёртая гармоника.
Сравнение пространственного разрешения с традиционной STM показало, что оптические изображения, полученные с помощью ULA-SNOM, достигали точности около одного нанометра — почти идентичной 0,9 нм, характерной для STM. Это позволило впервые увидеть, как один атом или дефект влияет на оптическое поведение вещества.
Впрочем, использование ULA-SNOM требует криогенного охлаждения, сверхвысокого вакуума, точно сформированных зондов и стабильных лазеров — всего, что пока доступно лишь в специализированных лабораториях.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances