Nanomaterialen spelen een essentiële rol op veel terreinen van het dagelijks leven. Er is dus een grote interesse om gedetailleerde kennis op te doen over hun optische en elektronische eigenschappen. Conventionele microscopen overschrijden hun grenzen wanneer de deeltjesgrootte tot enkele tien nanometers daalt, waarbij een enkel deeltje slechts een verdwijnend klein signaal afgeeft. Als gevolg hiervan, veel onderzoeken zijn beperkt tot grote ensembles van deeltjes. Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van de laserspectroscopieafdeling van prof. Theodor W. Hänsch (directeur van het Max Planck-instituut voor kwantumoptica en leerstoel voor experimentele fysica aan de Ludwig-Maximilians-Universität München) heeft een techniek ontwikkeld, waarbij een optische microholte wordt gebruikt om de signalen met meer dan 1000-voudig te verbeteren en tegelijkertijd een optische resolutie bereikt die dicht bij de fundamentele diffractielimiet ligt. De mogelijkheid om de optische eigenschappen van individuele nanodeeltjes of macromoleculen te bestuderen, belooft een intrigerend potentieel voor veel gebieden van de biologie, scheikunde, en nanowetenschap.

Spectroscopische metingen aan grote ensembles nanodeeltjes hebben te lijden onder het feit dat individuele verschillen in grootte, vorm, en moleculaire samenstelling worden uitgewassen en alleen gemiddelde hoeveelheden kunnen worden geëxtraheerd. Er is dan ook een grote interesse om single-particle-gevoelige technieken te ontwikkelen. "Onze aanpak is om het sondelicht dat wordt gebruikt voor beeldvorming in een optische resonator te vangen, waar het tienduizenden keren circuleert. Dit verbetert de interactie tussen het licht en het monster, en het signaal wordt gemakkelijk meetbaar", legt dr. David Hunger uit, een van de wetenschappers die aan het experiment werkt. "Voor een gewone microscoop, het signaal zou slechts een miljoenste van het ingangsvermogen zijn, wat nauwelijks meetbaar is. Door de resonantie het signaal wordt versterkt met een factor 50000."

In de microscoop, gebouwd door Dr. David Hunger en zijn team, de ene kant van de resonator is gemaakt van een vlakke spiegel die tegelijkertijd dient als drager voor de onderzochte nanodeeltjes. De tegenhanger is een sterk gekromde spiegel aan het eindfacet van een optische vezel. Via deze vezel wordt laserlicht in de resonator gekoppeld. De vlakke spiegel wordt punt voor punt verplaatst ten opzichte van de vezel om het deeltje stap voor stap in zijn focus te brengen. Tegelijkertijd, de afstand tussen beide spiegels wordt zodanig aangepast dat aan de voorwaarde voor het verschijnen van resonantiemodi is voldaan. Dit vereist een nauwkeurigheid in het bereik van picometers.

Voor hun eerste metingen, de wetenschappers gebruikten gouden bollen met een diameter van 40 nanometer. "De gouddeeltjes dienen als ons referentiesysteem, omdat we hun eigenschappen nauwkeurig kunnen berekenen en daarom de geldigheid van onze metingen kunnen controleren", zegt David Hunger. "Omdat we de optische eigenschappen van ons meetapparaat zeer nauwkeurig kennen, we kunnen de optische eigenschappen van de deeltjes uit het transmissiesignaal kwantitatief bepalen en vergelijken met de berekening". In tegenstelling tot andere methoden die vertrouwen op directe signaalverbetering, het lichtveld is beperkt tot een zeer klein gebied, zodanig dat door alleen de fundamentele modus te gebruiken, een ruimtelijke resolutie van 2 micron wordt bereikt. Door hogere orde modi te combineren, de wetenschappers zouden de resolutie zelfs kunnen verhogen tot ongeveer 800 nanometer.

De methode wordt nog krachtiger wanneer tegelijkertijd zowel de absorberende als de dispersieve eigenschappen van een enkel deeltje worden bepaald. Dit is vooral interessant als de deeltjes niet bolvormig zijn maar b.v. langwerpig. Vervolgens, de overeenkomstige grootheden hangen af ​​van de oriëntatie van de polarisatie van licht ten opzichte van de symmetrieassen van het deeltje. "In ons experiment gebruiken we gouden nanostaafjes (34x25x25 nm ³ ) en we observeren hoe de resonantiefrequentie verschuift afhankelijk van de oriëntatie van de polarisatie. Als de polarisatie evenwijdig aan de assen van de staaf is georiënteerd, de verschuiving van de resonantie is groter dan wanneer de polarisatie orthogonaal is georiënteerd, wat resulteert in twee verschillende resonantiefrequenties voor beide orthogonale polarisaties", legt Matthias Mader uit, Promovendus bij het experiment. "Deze dubbele breking kan heel precies worden gemeten en is een zeer gevoelige indicator voor de vorm en oriëntatie van het deeltje."

"Als toepassing van onze methode, we kunnen denken aan bijv. het onderzoeken van de temporele dynamiek van macromoleculen, zoals de vouwdynamiek van eiwitten", zegt David Hunger. "Over het algemeen zien we een groot potentieel voor onze methode:van de karakterisering van nanomaterialen en biologische nanosystemen tot spectroscopie van kwantumstralers."