Ściskanie światła w przestrzeniach mniejszych niż atom
Niemieccy badacze zaczęli od pozornie prostej konfiguracji. Użyli standardowego lasera ciągłego pracującego w zakresie średniej podczerwieni oraz ostrej, metalowej końcówki. Kluczowym manewrem było umieszczenie tej końcówki niezwykle blisko badanej powierzchni: w szczelinie o szerokości mniejszej niż średnica atomu. Początkowo rezultaty były dobre, choć nie oszałamiające, bo rozdzielczość sięgała około 10 nanometrów. Prawdziwa niespodzianka czekała, gdy odległość między próbką a końcówką została zmniejszona jeszcze bardziej.
Czytaj też: Światło w kształcie pączka uratuje Wi-Fi? Nowa fizyka obiecuje koniec z gubieniem zasięgu
Na bardzo małych odległościach sygnał dramatycznie wzrósł. Nie od razu zrozumieliśmy, co się dzieje. Prawdziwe zaskoczenie nastąpiło, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że rozdzielamy cechy w skali atomowej aż do 0.1 nanometra – wyjaśnia Felix Schiegl
Uzyskana rozdzielczość rzędu jednej dziesiątej nanometra odpowiada odległościom między atomami w sieci krystalicznej. To poziom szczegółowości, który do tej pory był domeną zaawansowanych mikroskopów elektronowych czy skaningowych mikroskopów tunelowych, a nie zwykłej techniki optycznej.
Fizyka kwantowa przejmuje ster
Wyjaśnienie tego zjawiska nie leży w optyce klasycznej, a w mechanice kwantowej. Gdy metalowa igła znalazła się ekstremalnie blisko materiału, pole elektryczne z lasera zaczęło indukować zjawisko tunelowania elektronów. W tym efekcie cząstki „przeskakują” przez barierę potencjału, której – zgodnie z fizyką klasyczną – nie powinny pokonać. Naukowcy mierzą teraz słaby sygnał nazywany emisją optycznego tunelowania w polu bliskim, który bezpośrednio odzwierciedla te kwantowe procesy zachodzące w skali atomowej.
Decydującym krokiem jest to, że nie jesteśmy już ograniczeni tym, jak ciasno światło może być zamknięte. Zamiast tego bezpośrednio kontrolujemy i mierzymy kwantowy ruch elektronów ograniczony do wymiarów atomowych – dodaje Valentin Bergbauer
To zasadnicza zmiana myślenia. Zamiast bezskutecznie próbować ściskać wiązkę światła ponad jej fizyczne możliwości, badacze wykorzystali sam proces kwantowy jako niezwykle czułe narzędzie pomiarowe.
Technologia dostępna dla wielu laboratoriów
Jedną z najbardziej zachęcających cech tej metody jest jej potencjalna dostępność. Nie potrzebuje ona ultraszybkich, drogich laserów impulsowych, a działa z konwencjonalnymi laserami ciągłymi, czyli sprzętem obecnym w wielu placówkach badawczych. Opisane w Nano Letters badania pokazują, iż mechanizm kontrastu oparty na tunelowaniu można zintegrować ze standardowymi konfiguracjami optycznymi. Jeśli technika się sprawdzi, jej zastosowania mogą być szerokie.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
Pozwoliłaby na bezpośrednie obserwacje kluczowych procesów na powierzchni katalizatorów chemicznych, gdzie decydującą rolę odgrywają pojedyncze atomy. W półprzewodnikach umożliwiłaby precyzyjną analizę defektów i granic między materiałami. Dziedziny takie jak materiały kwantowe czy elektronika molekularna, gdzie każdy atom ma znaczenie, również mogłyby na tym skorzystać. Jak widać, zamiast walczyć z limitem dyfrakcyjnym, naukowcy po prostu go… ominęli. Choć na razie mówimy o jednym eksperymencie, to perspektywa relatywnie taniej i powszechnej mikroskopii atomowej jest niezwykle kusząca.