Et nyt mikroskop til nanosystemer

Nanomaterialer spiller en væsentlig rolle i mange områder af dagligdagen. Der er således en stor interesse for at få detaljeret viden om deres optiske og elektroniske egenskaber. Konventionelle mikroskoper kommer ud over deres grænser, når partikelstørrelsen falder til området på nogle få ti nanometer, hvor en enkelt partikel kun giver et forsvindende lille signal. Som en konsekvens, mange undersøgelser er begrænset til store ensembler af partikler. Nu, et team af forskere fra Laser Spectroscopy Division af Prof. Theodor W. Hänsch (direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics og lærer for eksperimentel fysik ved Ludwig-Maximilians-Universität München) har udviklet en teknik, hvor et optisk mikrohulrum bruges til at forstærke signalerne mere end 1000 gange og samtidig opnå en optisk opløsning tæt på den fundamentale diffraktionsgrænse. Muligheden for at studere de optiske egenskaber af individuelle nanopartikler eller makromolekyler lover spændende potentiale for mange områder af biologi, kemi, og nanovidenskab.

Spektroskopiske målinger på store ensembler af nanopartikler lider af, at individuelle forskelle i størrelse, form, og molekylær sammensætning udvaskes, og kun gennemsnitlige mængder kan udvindes. Der er således en stor interesse for at udvikle enkeltpartikelfølsomme teknikker. "Vores tilgang er at fange sondelyset, der bruges til billeddannelse, inde i en optisk resonator, hvor den cirkulerer titusindvis af gange. Dette forbedrer interaktionen mellem lyset og prøven, og signalet bliver let målbart", forklarer Dr. David Hunger, en af ​​de videnskabsmænd, der arbejder på eksperimentet. "For et almindeligt mikroskop, signalet ville kun være en milliontedel af indgangseffekten, hvilket næppe er målbart. På grund af resonatoren, signalet forstærkes med en faktor på 50.000."

I mikroskopet, bygget af Dr. David Hunger og hans team, den ene side af resonatoren er lavet af et plant spejl, der på samme tid tjener som bærer for de nanopartikler, der undersøges. Modstykket er et stærkt buet spejl på endefacetten af ​​en optisk fiber. Laserlys kobles ind i resonatoren gennem denne fiber. Det plane spejl flyttes punkt for punkt i forhold til fiberen for at bringe partiklen trin for trin ind i dens fokus. På samme tid, afstanden mellem begge spejle justeres således, at betingelsen for fremkomsten af ​​resonanstilstande er opfyldt. Dette kræver en nøjagtighed inden for rækkevidden af ​​picometre.

Til deres første målinger, forskerne brugte guldkugler med en diameter på 40 nanometer. "Guldpartiklerne tjener som vores referencesystem, da vi kan beregne deres egenskaber præcist og derfor kontrollere validiteten af ​​vores målinger" siger David Hunger. "Da vi kender de optiske egenskaber af vores måleapparat meget præcist, vi kan bestemme de optiske egenskaber af partiklerne ud fra transmissionssignalet kvantitativt og sammenligne det med beregningen". I modsætning til andre metoder, der er afhængige af direkte signalforbedring, lysfeltet er begrænset til et meget lille område, sådan at ved kun at bruge den grundlæggende tilstand, en rumlig opløsning på 2 mikron opnås. Ved at kombinere højere ordenstilstande, forskerne kunne endda øge opløsningen til omkring 800 nanometer.

Metoden bliver endnu mere kraftfuld, når både absorberende og dispersive egenskaber af en enkelt partikel blev bestemt på samme tid. Dette er interessant især hvis partiklerne ikke er sfæriske men f.eks. aflange. Derefter, de tilsvarende mængder afhænger af orienteringen af ​​lysets polarisering i forhold til partiklens symmetriakser. "I vores eksperiment bruger vi guld nanorods (34x25x25 nm ³ ) og vi observerer, hvordan resonansfrekvensen skifter afhængigt af orienteringen af ​​polarisationen. Hvis polarisationen er orienteret parallelt med stangens akser, forskydningen af ​​resonansen er større, end hvis polarisationen er orienteret ortogonalt, hvilket resulterer i to forskellige resonansfrekvenser for begge ortogonale polariseringer" forklarer Matthias Mader, Ph.d.-studerende ved forsøget. "Denne dobbeltbrydning kan måles meget præcist og er en meget følsom indikator for partiklens form og orientering."

"Som en anvendelse af vores metode, vi kunne tænke på f.eks. undersøge makromolekylers tidsmæssige dynamik, såsom foldningsdynamikken af ​​proteiner" siger David Hunger. "Samlet set ser vi et stort potentiale for vores metode:fra karakterisering af nanomaterialer og biologiske nanosystemer til spektroskopi af kvanteemittere."