In "Avengers:Eindspel, " Tony Stark waarschuwde Scott Lang dat hem naar het kwantumrijk sturen en terugbrengen een "miljard-op-een kosmische toevalstreffer" zou zijn.

In werkelijkheid, een lichtstraal verkleinen tot een punt ter grootte van een nanometer om licht-materie-interacties op kwantumschaal te bespioneren en de informatie op te halen is niet eenvoudiger. Nutsvoorzieningen, ingenieurs aan de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben een nieuwe technologie ontwikkeld om licht met een ongekende efficiëntie naar het kwantumrijk te tunnelen.

In een Natuurfotonica papier, een team onder leiding van Ruoxue Yan, een assistent-professor chemische en milieutechniek, en Ming Liu, een assistent-professor in elektrische en computertechniek, beschrijf 's werelds eerste draagbare, goedkoop, optische nanoscopie tool die een glasvezel integreert met een zilveren nanodraad condensor. Het apparaat is een zeer efficiënte lichttunnel die zichtbaar licht naar het uiterste puntje van de condensor perst om lokaal te interageren met moleculen en informatie terug te sturen die de ongrijpbare nanowereld kan ontcijferen en visualiseren.

Ons vermogen om in te zoomen op de fijne details van een object wordt beperkt door het golfkarakter van licht. Als je ooit een optische microscoop hebt gebruikt in een wetenschappelijke les, je hebt waarschijnlijk geleerd dat je een object slechts ongeveer 2 kunt vergroten, 000 keer voordat alles wazig wordt. Dat komt omdat het onmogelijk is om kenmerken te onderscheiden die fijner zijn dan de helft van de golflengte van licht - een paar honderd nanometer voor zichtbaar licht in het verre veld - hoe geavanceerd uw microscoop ook is.

In tegenstelling tot verre veldgolven, nabije veldgolven bestaan ​​alleen zeer dicht bij een lichtbron en vallen niet onder deze regel. Maar ze reizen niet vrijwillig en zijn erg moeilijk te gebruiken of te observeren. Sinds de jaren 1920, wetenschappers hebben gedacht dat het forceren van licht door een klein gaatje op een metalen film nabije-veldgolven zou genereren die kunnen worden omgezet in detecteerbaar licht, maar de eerste succesvolle prototypes werden pas een halve eeuw later gebouwd.

In het begin van de jaren negentig, Eric Betzig, de 2014 Nobelprijswinnaar in de chemie, substantiële verbeteringen aangebracht aan eerdere prototypes op het gebied van beeldprestaties en betrouwbaarheid. Vanaf dat moment, optische microscopie voor nabij-veldaftasten, zoals de techniek bekend is, is gebruikt om de details op nanoschaal van veel chemische, biologisch, en materiële systemen.

Helaas, bijna een halve eeuw later, deze techniek is nog steeds esoterisch en wordt door weinigen gebruikt.

"Licht sturen door een klein gaatje dat duizend keer kleiner is dan de diameter van een lok mensenhaar is geen fluitje van een cent, " zei Liu. "Slechts een paar op een miljoen fotonen, of lichte deeltjes, kan het gaatje passeren en het object bereiken dat u wilt zien. Een enkeltje krijgen is al een uitdaging; een retourticket om een ​​zinvol signaal terug te brengen is bijna een dagdroom."

Wetenschappers hebben zich eindeloos ingespannen om deze kans te vergroten. Terwijl de meest geavanceerde sondes tegenwoordig slechts één op 1, 000 fotonen om het object te bereiken, het UC Riverside-apparaat levert de helft van de fotonen aan de punt.

"De sleutel van het ontwerp is een opeenvolgend scherpstelproces in twee stappen, " zei Yan. "In de eerste stap, de golflengte van het verre-veldlicht neemt langzaam toe naarmate het door een geleidelijk dunner wordende optische vezel reist, zonder de frequentie te veranderen. Als het overeenkomt met de golflengte van de elektronendichtheidsgolf in de zilveren nanodraad die bovenop de optische vezel ligt, boom! Alle energie wordt overgebracht naar de elektronendichtheidsgolf en begint in plaats daarvan op het oppervlak van de nanodraad te reizen."

In de tweede stap van het focusproces, de golf condenseert geleidelijk tot enkele nanometers aan de top van de punt.

Het UC Riverside-apparaat, een kleine zilveren naald met licht dat uit de punt komt "is een soort Harry Potter's toverstok die een klein gebied verlicht, " legde Sangon Kim uit, de promovendus die het onderzoek heeft uitgevoerd.

Kim gebruikte het apparaat om de frequentie van moleculaire trillingen in kaart te brengen waarmee men chemische bindingen kan analyseren die atomen in een molecuul bij elkaar houden. Dit staat bekend als tip-enhanced Raman-spectroscopie, of TERS, in beeld brengen. TERS is de meest uitdagende tak van optische microscopie in het nabije veld, omdat het om zeer zwakke signalen gaat. Het vereist meestal omvangrijke, miljoen dollar apparatuur om licht te concentreren en vervelend voorbereidingswerk om superresolutiebeelden te krijgen.

Met het nieuwe toestel Kim bereikte een resolutie van 1 nanometer op een eenvoudige draagbare apparatuur. De uitvinding zou een krachtig analytisch hulpmiddel kunnen zijn dat belooft een nieuwe wereld van informatie te onthullen aan onderzoekers in alle disciplines van de nanowetenschap.

"De integratie van een vezel-nanodraad-assemblage met tip-enhanced Raman-spectroscopie in combinatie met een scanning tunneling-microscoop maakt het verzamelen van chemische afbeeldingen met hoge resolutie mogelijk in een eenvoudige en elegante opstelling, het plaatsen van deze tool in de voorhoede van optische beeldvorming en spectroscopie. We zijn trots op deze prestatie en de impact ervan op het chemisch onderzoek. We worden nog meer aangemoedigd door de mogelijke toepassing ervan in een breed scala aan disciplines zoals biologisch en materiaalonderzoek, die de wetenschappelijke vooruitgang zal bevorderen, " zei Lin He, waarnemend plaatsvervangend divisiedirecteur voor de National Science Foundation Division of Chemistry die het onderzoek gedeeltelijk financierde.