Что происходит, когда квантовая точка смотрится в зеркало

Нобелевскую премию по химии в 2014 году вручили за важное открытие в области микроскопии, которое позволяет значительно улучшить пространственное разрешение.

Инновация, которая привела к нанометровому разрешению, стала возможной благодаря достаточно маленькому источнику освещения, а также помещению этого источника очень близко к визуализируемому объекту. Одна из проблем, сопряженных с данным подходом, состоит в том, что в подобной близости источник и объект могут взаимодействовать друг с другом, размывая изображение. Новое исследование показало, как можно сделать наноскопию еще более четкой за счет лучшего расположения источника света.

Предел дифракции

Обычная микроскопия ограничена дифракцией света вокруг объектов. А потому, когда световая волна из источника ударяет объект, волна несколько рассеивается. Это рассеивание ограничивает пространственное разрешение обычного микроскопа не более чем на половину длины волны используемого света. Дифракция видимого света ограничивает разрешение не более чем на несколько сотен нанометров.

Как в этом случае микроскопия, используя видимый свет, достигает разрешения вплоть до нескольких нанометров? Используя крошечные источники света, которые не больше нескольких нанометров в диаметре. Примерами таких типов источников света служат флуоресцентные молекулы, наночастицы и квантовые точки. В своей работе ученые применили квантовые точки — крошечные кристаллы полупроводникового материала, способные излучать отдельные фотоны света. Если подобные источники света поместить достаточно близко к целевому объекту, нанометровые особенности можно считать решенными. Такой тип микроскопии под названием «суперразрешающая визуализация» преодолевает стандартный предел дифракции.

Искажение изображения

Исследователи провели наноскопические разметки профайла электромагнитного поля вокруг серебряных нанопроводов, поместив поблизости квантовые точки (источники освещения). Выяснилось, что субволновая визуализация, страдающая от фундаментальной проблемы, а именно отраженного диполя, вызванного на поверхности нанопровода, искажает значение реального положения квантовой точки. Эта неопределенность в положении квантовой точки преобразуется напрямую в искажение измерения электромагнитного поля объекта.

Искажение следует из факта, согласно которому электрический заряд, помещенный у металлической поверхности, сгенерирует электрическое поле, какое было бы, если бы ниже поверхности был расположен призрачный отрицательный заряд на том же удалении, что и оригинальный заряд выше этой поверхности. Это похоже на зеркальное отображение, которое мы видим в зеркале; зеркальный объект кажется удаленным от зеркала настолько же, что и оригинальный.

Если у квантовой точки нет чистого электрического заряда, но есть чистый электрический диполь, небольшое смещение положительного и отрицательного заряда в точке.

Таким образом, когда квантовая точка приближается к нанопроводу, провод создает «образ» электрического диполя, эмиссия которого может столкнуться с собственной эмиссией точки. Поскольку измеренный свет от точки является субстанцией процесса визуализации, наличие света, исходящего от отраженного диполя, может столкнуться со светом, исходящим непосредственно от точки. Это искажает воспринимаемую позицию точки на значение, которое в 10 раз выше ожидаемой пространственной точности техники визуализации.

Эксперимент ученых позволил успешно измерить эффект изображения-диполя и должным образом показал, что этот эффект можно корректировать в соответствующих обстоятельствах. Итоговая работа обеспечит более точную карту электромагнитных полей, окружающих нанопровод.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

Ссылка по теме: http://jqi.umd.edu/news/sharper-nanoscopy-0