Un salto quantico nella microscopia ottica
Ricercatori di Regensburg e Birmingham hanno superato un limite fondamentale della microscopia ottica
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Dalle fotocamere degli smartphone ai telescopi spaziali, il desiderio di vedere dettagli sempre più fini ha guidato il progresso tecnologico. Tuttavia, man mano che esploriamo scale di lunghezza sempre più piccole, incontriamo un limite fondamentale stabilito dalla luce stessa. Poiché la luce si comporta come un'onda, non può essere messa a fuoco in modo arbitrario a causa di un effetto chiamato diffrazione. Di conseguenza, i microscopi ottici convenzionali non sono in grado di risolvere strutture molto più piccole della lunghezza d'onda della luce, mettendo gli stessi elementi costitutivi della materia al di fuori dell'osservazione ottica diretta.
Rappresentazione artistica del meccanismo microscopico alla base dell'emissione ottica a tunnel in campo vicino: La luce laser spinge gli elettroni (sfere luminose) a saltare avanti e indietro tra l'atomo apicale di una punta metallica affilata (in alto) e un campione (in basso), dando luogo a un'emissione elettromagnetica che consente la microscopia ottica su scala atomica.
© Brad Baxley, PtW
Ora i ricercatori del Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy, insieme ai colleghi dell'Università di Birmingham, hanno trovato un modo innovativo per superare questa limitazione. Utilizzando laser standard a onda continua, hanno ottenuto misurazioni ottiche a distanze paragonabili alla distanza tra i singoli atomi.
L'incredibile risoluzione è stata ottenuta avvicinando in modo straordinario una punta metallica affilata alla superficie del materiale in esame, separata da uno spazio inferiore alle dimensioni di un singolo atomo. Un laser a onda continua illumina il sistema, "comprimendo" la luce infrarossa nella piccola fessura e concentrandola all'apice della punta. Confinando la luce in questo modo si aggira il limite di diffrazione e si ottiene una risoluzione spaziale dell'ordine del raggio di curvatura dell'apice della punta, in genere circa 10 nanometri.
Sebbene questo rappresenti già un netto miglioramento rispetto alle tecniche convenzionali di campo lontano, è ancora un fattore 30 troppo grossolano per risolvere caratteristiche su scala atomica. Determinati a trovare il limite assoluto della risoluzione spaziale, i ricercatori hanno continuato ad avvicinare la punta alla superficie. Ciò che ne è seguito ha colto tutti di sorpresa. "A distanze molto ridotte, il segnale è aumentato drasticamente", spiega Felix Schiegl dell'Università di Regensburg. "Non abbiamo capito subito cosa stesse succedendo. La vera sorpresa è arrivata quando ci siamo resi conto che stavamo risolvendo caratteristiche di scala atomica fino a 0,1 nanometri".
La spiegazione sta nella meccanica quantistica. Sebbene la punta e la superficie non si tocchino fisicamente nel senso classico del termine, gli elettroni possono comunque creare un tunnel tra di loro. Il campo elettrico continuamente oscillante della luce infrarossa costringe gli elettroni a muoversi avanti e indietro tra la punta e la superficie. Proprio come gli elettroni che oscillano in un'antenna radio, questo movimento produce un debole segnale elettromagnetico - e i ricercatori sono riusciti a rilevare questa emissione di tunneling ottico in campo vicino (NOTA).
"È notevole che un solo elettrone che si muove su una distanza inferiore alle dimensioni di un atomo ogni cento cicli di luce possa già produrre una luce abbastanza forte da poter essere rilevata", afferma il dottor Tom Siday dell'Università di Birmingham. Da questa luce emessa è possibile misurare con precisione su scala atomica il movimento degli elettroni tra la punta e il campione, e quindi le proprietà del materiale, come la conduttività. "Il passo decisivo è che non siamo più limitati da quanto strettamente la luce possa essere confinata", afferma Valentin Bergbauer dell'Università di Regensburg. "Al contrario, possiamo controllare e misurare direttamente il movimento degli elettroni quantistici confinati a dimensioni atomiche - un salto quantico che spinge la microscopia ottica a scale di lunghezza quasi centomila volte più piccole di quelle che i microscopi convenzionali basati sulla luce possono risolvere". È importante notare che questo effetto può essere pilotato utilizzando un normale laser a onda continua, anziché i più potenti ma costosi laser ultraveloci che si pensava fossero necessari in precedenza. Questa semplicità potrebbe contribuire a rendere la tecnica più accessibile e ad accelerarne l'adozione nei laboratori di tutto il mondo.
Il lavoro dimostra che le misure ottiche possono ora raggiungere distanze un tempo ritenute inaccessibili, grazie al controllo preciso di punte atomicamente affilate. In futuro, questo nuovo approccio potrebbe consentire agli scienziati di studiare come i materiali interagiscono con la luce alla scala dei singoli atomi, fornendo indicazioni su come i processi microscopici su queste minuscole scale determinino fondamentalmente le proprietà macroscopiche dei materiali.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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