De Nobelprijs voor scheikunde van 2014 erkende belangrijk microscopieonderzoek dat een sterk verbeterde ruimtelijke resolutie mogelijk maakte. Deze innovatie, resulterend in nanometer resolutie, werd mogelijk gemaakt door de bron (de zender) van de verlichting vrij klein te maken en deze vrij dicht bij het object dat wordt afgebeeld te verplaatsen. Een probleem met deze benadering is dat in een dergelijke nabijheid, de zender en het object kunnen met elkaar interageren, het resulterende beeld vervagen. Nutsvoorzieningen, een nieuwe JQI-studie heeft aangetoond hoe microscopie op nanoschaal (nanoscopie) nog scherper kan worden gemaakt door de exacte positie van de lichtbron beter te lokaliseren.

Diffractielimiet

Traditionele microscopie wordt beperkt door de diffractie van licht rond objecten. Dat is, wanneer een lichtgolf van de bron het object raakt, de golf zal wat verstrooien. Deze verstrooiing beperkt de ruimtelijke resolutie van een conventionele microscoop tot niet beter dan ongeveer de helft van de golflengte van het gebruikte licht. Voor zichtbaar licht, diffractie beperkt de resolutie tot niet beter dan een paar honderd nanometer.

Hoe dan, kan microscopie met zichtbaar licht een resolutie tot enkele nanometers bereiken? Door gebruik te maken van minuscule lichtbronnen die niet groter zijn dan enkele nanometers in doorsnee. Voorbeelden van dit soort lichtbronnen zijn fluorescerende moleculen, nanodeeltjes, en kwantumstippen. Het JQI-werk maakt gebruik van kwantumdots, kleine kristallen van een halfgeleidermateriaal dat enkele fotonen van licht kan uitzenden. Als zulke kleine lichtbronnen zich dicht genoeg bij het object bevinden dat bedoeld is om in kaart te worden gebracht of afgebeeld, functies op nanometerschaal kunnen worden opgelost. Dit type microscopie, genaamd "Super-resolutie beeldvorming, " overstijgt de standaard diffractielimiet.

Beeld-dipoolvervormingen

JQI-collega Edo Waks en zijn collega's hebben nanoscopische mappings van het elektromagnetische veldprofiel rond zilveren nanodraden uitgevoerd door kwantumstippen (de emitter) in de buurt te plaatsen. (Eerder werk:phys.org/news/2013-02-quantum- … probe-nanowires.html ). Ze ontdekten dat beeldvorming op subgolflengten een fundamenteel probleem had, namelijk dat een "beelddipool" die in het oppervlak van de nanodraad werd geïnduceerd, de kennis van de ware positie van de kwantumstip vervormde. Deze onzekerheid in de positie van de kwantumdot vertaalt zich direct in een vervorming van de elektromagnetische veldmeting van het object.

De vervorming is het gevolg van het feit dat een elektrische lading die zich in de buurt van een metalen oppervlak bevindt, precies zo'n elektrisch veld zal produceren alsof een spookachtige negatieve lading zich zo ver onder het oppervlak zou bevinden als de oorspronkelijke lading erboven. Dit is analoog aan het beeld dat je ziet als je naar jezelf in een spiegel kijkt; het spiegelobject lijkt net zo ver achter de spiegel te zijn als jij ervoor. De kwantumstip heeft geen netto elektrische lading, maar wel een netto elektrische dipool, een kleine verplaatsing van positieve en negatieve lading binnen de stip.

Dus wanneer de stip de draad nadert, de draad ontwikkelt een "beeld" elektrische dipool waarvan de emissie de eigen emissie van de stip kan verstoren. Aangezien het gemeten licht van de stip de essentie is van het beeldvormingsproces, de aanwezigheid van licht afkomstig van de "beelddipool" kan interfereren met licht dat rechtstreeks van de stip komt. Dit vervormt de waargenomen positie van de stip met een hoeveelheid die 10 keer hoger is dan de verwachte ruimtelijke nauwkeurigheid van de beeldvormingstechniek (alsof de nanodraad als een soort funhouse-spiegel werkt).

Het JQI-experiment heeft met succes het beelddipooleffect gemeten en goed aangetoond dat het onder geschikte omstandigheden kan worden gecorrigeerd. Het resulterende werk levert een nauwkeurigere kaart op van de elektromagnetische velden rond de nanodraad.

De JQI-wetenschappers publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Hoofdauteur Chad Ropp (nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley) zegt dat het belangrijkste doel van het experiment was om betere beeldvorming met superresolutie te produceren:"Elke keer dat je een emitter op nanoschaal gebruikt om superresolutiebeeldvorming uit te voeren in de buurt van een metalen of beelddipooleffecten met een hoge diëlektrische structuur, kan dit fouten veroorzaken. Omdat deze effecten kunnen de meting van de positie van de nano-emitter verstoren, ze zijn belangrijk om te overwegen voor elk type super-opgeloste beeldvorming die ruimtelijke mapping uitvoert."

"Historisch gezien zijn wetenschappers uitgegaan van verwaarloosbare fouten in de nauwkeurigheid van super-opgeloste beeldvorming, ", zegt Ropp. "Wat we hier laten zien, is dat er inderdaad substantiële onnauwkeurigheden zijn en we beschrijven een procedure om deze te corrigeren."