ایسنا/ دانشمندان موفق به ساخت یک میکروسکوپ جدید شدند که می‌تواند اتم‌ها را با وضوح یک نانومتر نشان دهد.

دانشمندان میکروسکوپ نوآورانه‌ای موسوم به «میکروسکوپ نوری روبشی از نوع پراکندگی با دامنه نوسان بسیار کوچک نوک»(ULA-SNOM) را جهت تصویربرداری توسعه داده‌اند که شامل یک نوک نقره‌ای اسکن‌کننده است که در خلاء فوق‌العاده بالا و شرایط دمایی فوق‌العاده سرد قرار گرفته تا ظریف‌ترین جزئیات ساختاری یک اتم منفرد را تشخیص دهد.

به نقل از آی‌ای، میکروسکوپ‌ها مدت‌هاست که چشم دانشمندان به روی دنیای نامرئی بوده‌اند و همه چیز را از سلول‌های زنده گرفته تا ویروس‌ها و ساختارهای نانومتری آشکار کرده‌اند. با این حال، حتی قدرتمندترین میکروسکوپ‌های نوری نیز توسط یک قانون اساسی فیزیک با نام «حد پراش»(diffraction limit) محدود شده‌اند که مانع از دیدن واضح هر چیزی کوچکتر از حدود ۲۰۰ نانومتر می‌شود که برای ثبت اتم‌های منفرد بسیار بزرگ است.

این محدودیت، مانع مشاهده چگونگی تعامل نور با اتم‌ها یا مولکول‌های منفرد شده است که یک گام حیاتی برای پیشرفت علم مواد، الکترونیک و مطالعات کوانتومی است.

اکنون تیمی از پژوهشگران بین‌المللی بر این چالش غلبه کرده‌اند. آنها تکنیک تصویربرداری نوآورانه‌ای را با یک میکروسکوپ نوری روبشی از نوع پراکندگی با دامنه نوسان بسیار کوچک نوک آن توسعه داده‌اند که می‌تواند ویژگی‌هایی به اندازه یک نانومتر را به صورت نوری تفکیک کند.

دانشمندان یک میکروسکوپ نوری توسعه داده‌اند که به آنها این امکان را می‌دهد رفتار نور را در سطح اتم‌های منفرد مشاهده کنند، کاری که زمانی فقط با ابزارهای میکروسکوپ مبتنی بر الکترون امکان‌پذیر تلقی می‌شد. این پیشرفت می‌تواند نحوه مطالعه ماده را در اساسی‌ترین سطح آن متحول کند و همه چیز را از نحوه ساخت سلول‌های خورشیدی گرفته تا نحوه درک ما از واکنش‌های شیمیایی و سامانه‌های کوانتومی را تغییر دهد.

کوچک کردن نور به اندازه اتم‌ها

این تیم برای غلبه بر محدودیت‌های وضوح نوری سنتی، با تکنیکی موسوم به «میکروسکوپ نوری روبشی از نوع پراکندگی»(s-SNOM) کار کردند. در این میکروسکوپ یک نوک فلزی تیز با لیزر روشن می‌شود و روی سطح ماده اسکن می‌شود. نور از سطح در الگوهایی پراکنده می‌شود که جزئیات نانومتری را آشکار می‌کند. با این حال، تنظیمات معمول این فناوری فقط به وضوح حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر می‌رسد که برای تصویربرداری در مقیاس اتمی بسیار بزرگ است.

دانشمندان با استفاده از رویکرد نوآورانه خود، موفق شدند حرکت نوک اسکن‌کننده را به سطح فوق‌العاده کوچکی کاهش دهند. در این روش، نوک آن با دامنه نوسان تنها ۰/۵ تا ۱ نانومتر که تقریباً عرض سه اتم است، نوسان می‌کند. مشخص شد که این حرکت دقیق به اندازه کافی بزرگ است تا سیگنال‌های نوری را دریافت کند، در عین حال به اندازه کافی نیز کوچک است تا ظریف‌ترین جزئیات ساختاری را تشخیص دهد. 

خود نوک از نقره پولیش شده ساخته شده بود که سطحی صاف و پایدار را تضمین کند. یک لیزر سرخ مرئی بر روی نوک هدایت شده است و پدیده‌ای موسوم به «حفره پلاسمونیک»(plasmonic cavity) ایجاد کرد که یک حفره کوچک و محدود نور است که بین نوک و سطح نمونه تشکیل می‌شود.

این شرایط برودتی لرزش‌ها و آلودگی را از بین برد و به نوک کمک کرد تا دقیقاً در ارتفاع یک نانومتر بالاتر از سطح باقی بماند. سپس آنها برای فیلتر کردن نور پس‌زمینه و تقویت سیگنال واقعی، از روشی تخصصی استفاده کردند که داده‌های نوری را واضح‌تر و قابل اعتمادتر کرد.

ثبت تصاویر در مقیاس اتمی

این تیم از تنظیمات میکروسکوپ خود برای تصویربرداری از جزایر سیلیکونی با ضخامت تک اتمی استفاده کرد. برخلاف این واقعیت که این لایه‌های سیلیکونی فقط یک اتم ارتفاع داشتند، میکروسکوپ توانست به وضوح نشان دهد که سیلیکون نه تنها از نظر شکل، بلکه از نظر نحوه واکنش هر ماده به نور، کجا تمام می‌شود و نقره کجا شروع می‌شود. این نتیجه تأیید کرد که این سامانه می‌تواند کنتراست نوری واقعی را با وضوح اتمی ثبت کند. این فناوری جدید همچنین می‌توانست انواع مختلفی از اطلاعات را همزمان جمع‌آوری کند.

این تیم با بررسی نحوه پاسخ‌دهی نوک آن در فرکانس‌های مختلف ارتعاش، توانست سیگنال‌ها را از منابع مختلف جدا کند. دانشمندان برای اولین بار توانستند به وضوح ببینند که چگونه یک اتم یا نقص منفرد بر رفتار نوری یک ماده تأثیر می‌گذارد. این فناوری می‌تواند منجر به طراحی دقیق نانوساختارها در الکترونیک، کشف مواد نوری جدید یا حتی سلول‌های خورشیدی بهتر که نور را کارآمدتر جذب می‌کنند، شود. علاوه بر این، دانشمندان می‌توانند از این تکنیک برای مطالعه نقاط کوانتومی، حسگرهای تک مولکولی، یا ساختارهای زیستی با سطحی از جزئیات که قبلاً غیرممکن بود، استفاده کنند.

با این حال، میکروسکوپ «ULA-SNOM» نیازمند ابزارهای تخصصی دیگری نیز است و دانشمندان امیدوارند مطالعات آینده بر کاربردی‌تر، در دسترس‌تر و مقیاس‌پذیرتر کردن این رویکرد تمرکز کنند.

این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.