Hvad sker der, når en kvanteprik ser i et spejl?

2014-kemi-nobelprisen anerkendte vigtig mikroskopiforskning, der muliggjorde stærkt forbedret rumlig opløsning. Denne innovation, resulterer i nanometer opløsning, blev muliggjort ved at gøre kilden (udsenderen) af belysningen ret lille og ved at flytte den ret tæt på det objekt, der afbildes. Et problem med denne tilgang er, at i en sådan nærhed, emitteren og objektet kan interagere med hinanden, sløring af det resulterende billede. Nu, et nyt JQI-studie har vist, hvordan man kan skærpe nanoskalamikroskopi (nanoskopi) endnu mere ved bedre at lokalisere den nøjagtige position af lyskilden.

Diffraktionsgrænse

Traditionel mikroskopi er begrænset af lysets diffraktion omkring objekter. Det er, når en lysbølge fra kilden rammer objektet, bølgen vil sprede sig noget. Denne spredning begrænser den rumlige opløsning af et konventionelt mikroskop til ikke bedre end ca. halvdelen af ​​bølgelængden af ​​det anvendte lys. For synligt lys, diffraktion begrænser opløsningen til ikke at være bedre end et par hundrede nanometer.

Hvordan så kan mikroskopi med synligt lys opnå en opløsning ned til flere nanometer? Ved at bruge bittesmå lyskilder, der ikke er større end et par nanometer i diameter. Eksempler på disse typer lyskilder er fluorescerende molekyler, nanopartikler, og kvanteprikker. JQI-arbejdet bruger kvanteprikker, som er bittesmå krystaller af et halvledermateriale, der kan udsende enkelte fotoner af lys. Hvis sådanne små lyskilder er tæt nok på det objekt, der skal kortlægges eller afbildes, funktioner i nanometerskala kan løses. Denne type mikroskopi, kaldet "Super-resolution imaging, " overstiger standarddiffraktionsgrænsen.

Billed-dipolforvrængninger

JQI-stipendiat Edo Waks og hans kolleger har udført nanoskopiske kortlægninger af den elektromagnetiske feltprofil omkring sølvnano-tråde ved at placere kvanteprikker (emitteren) i nærheden. (Tidligere arbejde:phys.org/news/2013-02-quantum- … probe-nanowires.html ). De opdagede, at sub-bølgelængde billeddannelse led af et grundlæggende problem, nemlig at en "billeddipol" induceret i overfladen af ​​nanotråden forvrængede viden om kvanteprikkens sande position. Denne usikkerhed i kvanteprikkens position udmønter sig direkte i en forvrængning af objektets elektromagnetiske feltmåling.

Forvrængningen skyldes det faktum, at en elektrisk ladning placeret nær en metallisk overflade vil producere netop et sådant elektrisk felt, som hvis en spøgelsesagtig negativ ladning var placeret så langt under overfladen, som den oprindelige ladning er over den. Dette er analogt med det billede, du ser, når du ser dig selv i et spejl; spejlobjektet ser ud til at være lige så langt bagved spejlet, som du er foran. Kvanteprikken har ikke en netto elektrisk ladning, men den har en netto elektrisk dipol, en let forskydning af positiv og negativ ladning inden for prikken.

Så når prikken nærmer sig ledningen, ledningen udvikler en "image" elektrisk dipol, hvis emission kan forstyrre prikkens egen emission. Da det målte lys fra prikken er substansen i billeddannelsesprocessen, tilstedeværelsen af ​​lys, der kommer fra "billeddipolen", kan forstyrre lys, der kommer direkte fra prikken. Dette forvrænger den opfattede position af prikken med en mængde, der er 10 gange højere end den forventede rumlige nøjagtighed af billeddannelsesteknikken (som om nanotråden fungerede som en slags funhouse-spejl).

JQI-eksperimentet målte med succes billeddipoleffekten og viste korrekt, at den kan korrigeres under passende omstændigheder. Det resulterende arbejde giver et mere nøjagtigt kort over de elektromagnetiske felter, der omgiver nanotråden.

JQI-forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

Hovedforfatter Chad Ropp (nu postdoc ved University of California, Berkeley) siger, at hovedmålet med eksperimentet var at producere bedre billeddannelse i superopløsning:"Hver gang du bruger en nanoskala-emitter til at udføre superopløsningsbilleddannelse nær et metal eller høj-dielektrisk struktur, kan billed-dipoleffekter forårsage fejl. Fordi disse effekter kan forvrænge målingen af ​​nano-emitterens position, de er vigtige at overveje for enhver type super-opløst billeddannelse, der udfører rumlig kortlægning."

"Historisk har forskere antaget ubetydelige fejl i nøjagtigheden af ​​super-opløst billeddannelse, " siger Ropp. "Det, vi viser her, er, at der faktisk er væsentlige unøjagtigheder, og vi beskriver en procedure for, hvordan man korrigerer for dem."