Исследователи разработали оптический микроскоп, способный визуализировать световое поведение на уровне отдельных атомов — достижение, ранее доступное только электронным микроскопам. Прорыв стал возможен 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 фундаментальный физический барьер дифракционного предела, ограничивавший оптическую микроскопию десятками нанометров.
ULA-SNOM основан на методе s-SNOM, в котором лазер освещает металлический зонд, сканирующий поверхность образца. В стандартных установках этот подход обеспечивает разрешение 10–100 нанометров — недостаточно для атомных структур . В новой методике амплитуда колебаний зонда снижена до 0,5–1 нанометра — примерно в три раза меньше ширины человеческой ДНК, что позволило визуализировать взаимодействие света с атомами.
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. После настройки система была готова к тестированию.
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 непосредственно увидеть, как один атом или дефект влияет на оптическое поведение вещества. Потенциально технология может применяться для создания новых фотонных материалов, разработки более эффективных солнечных элементов или изучения квантовых и биологических структур.
Впрочем, использование ULA-SNOM требует криогенного охлаждения, сверхвысокого вакуума, точно сформированных зондов и стабильных лазеров — всего, что пока доступно лишь в специализированных лабораториях. Учёные надеются, что в будущем удастся сделать методику более практичной и масштабируемой.