Ученые совершили настоящий прорыв в микроскопии: они создали прибор, который позволяет разглядеть, как свет взаимодействует с материей на уровне отдельных атомов. Новая технология дает невероятное для оптических методов разрешение в один нанометр. Это как смотреть на мир через суперлинзу, которая делает видимым то, что раньше было скрыто от наших глаз — одиночные молекулы, дефекты в кристаллической решетке, мельчайшие детали на поверхности материалов.

Подробности опубликованы в издании Science Advances.

Раньше методы оптической микроскопии упирались в физический предел, не позволяя рассмотреть объекты размером меньше десяти нанометров. Теперь международная группа исследователей из Института Фрица Хабера Общества Макса Планка в Германии, вместе с коллегами из Японии и Испании, нашла остроумный способ обойти это ограничение. Они усовершенствовали существующий метод — сканирующую ближнепольную оптическую микроскопию (с-БОМ). Суть его в том, что по поверхности водят сверхострым зондом, освещенным лазером. Но в своем новом подходе, который они назвали ULA-SNOM, ученые сделали три ключевые вещи:

• Объединили два метода: классическую с-БОМ и бесконтактную атомно-силовую микроскопию (АСМ), которая чувствует рельеф поверхности с высочайшей точностью.
• Использовали серебряное острие зонда и подсветили его лазером видимого света.
• Созали в зазоре между острием и образцом так называемую плазмонную полость — крошечную ловушку для света, которая сжимает и многократно усиливает его.

В результате они получили не просто изображение рельефа, а карту оптического отклика поверхности. Теперь можно не только увидеть атом, но и понять, как он «светится» и взаимодействует со светом. Эта способность открывает двери для проектирования и создания наноматериалов с заданными оптическими свойствами буквально атом за атомом.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости инженерного дела и материаловедения. Когда вы можете видеть и, что важнее, измерять оптические свойства на атомном уровне, вы получаете прямой инструмент для создания принципиально новых устройств. Например, можно будет проектировать оптические чипы для квантовых компьютеров, где каждый кубит — это один атом или дефект в алмазе, и вам критически важно знать его точное положение и то, как он взаимодействует со светом.

• В фармакологии это может привести к разработке высокочувствительных сенсоров, способных по оптической сигнатуре идентифицировать отдельные молекулы болезнетворных белков.
• В энергетике — к созданию сверхэффективных солнечных батарей, где каждая наночастица идеально настроена на поглощение определенной части спектра.

Основное критическое замечание касается практической применимости метода в его текущем состоянии. Технология требует исключительных условий работы: сверхвысокого вакуума, крайней вибростабильности, сложнейшей подготовки образцов и, что немаловажно, серебряного острия зонда, которое может быть химически активным и хрупким. Это лабораторный прототип, который вряд ли скоро выйдет за стены специализированных научных институтов. Перенос этой методологии в «полевые» условия, например, для контроля качества на производстве полупроводников, пока представляется крайне сложной задачей. Метод больше подходит для фундаментальных исследований, нежели для рутинного анализа.

Ранее ученые увеличили поле зрения микроскопа без потери качества.