Natuurkundigen hebben op basis van optische microscopie een techniek ontwikkeld waarmee op nanoschaal afbeeldingen van atomen kunnen worden gemaakt. Vooral, de nieuwe methode maakt het mogelijk om kwantumdots in een halfgeleiderchip af te beelden. Samen met collega's van de Universiteit van Bochum, wetenschappers van de Universiteit van Basel rapporteerden de bevindingen in het tijdschrift Natuurfotonica .

Conventionele optische microscopen kunnen niet worden gebruikt om individuele moleculen en atomen in beeld te brengen, die slechts fracties van een nanometer in doorsnee meten. Dit heeft te maken met het golfkarakter van licht en de bijbehorende natuurkundige wetten. Volgens deze wetten de maximale resolutie van een microscoop is gelijk aan de helft van de golflengte van het gebruikte licht. Bijvoorbeeld, als je groen licht gebruikt met een golflengte van 500 nanometer, een optische microscoop kan, op zijn best, objecten onderscheiden op een afstand van 250 nanometer.

In recente jaren, echter, wetenschappers hebben deze resolutielimiet omzeild om afbeeldingen te genereren van structuren met een diameter van slechts enkele nanometers. Om dit te doen, ze gebruikten lasers van verschillende golflengten om fluorescentie in moleculen in een deel van de stof te veroorzaken, terwijl ze deze in de omliggende gebieden onderdrukten. Hierdoor kunnen ze structuren zoals kleurstofmoleculen, die slechts enkele nanometers groot zijn. De ontwikkeling van deze methode, Stimuleerde Emissie Uitputting (STED) resulteerde in de Nobelprijs voor Scheikunde 2014.

Timo Kaldewey, van de Universiteit van Basel's Department of Physics en Swiss Nanoscience Institute, heeft nu samengewerkt met collega's van de Ruhr-Universiteit Bochum (Duitsland) om een ​​vergelijkbare techniek te ontwikkelen die de beeldvorming van objecten op nanoschaal mogelijk maakt, in het bijzonder een kwantummechanisch systeem met twee niveaus. De natuurkundigen bestudeerden wat bekend staat als kwantumstippen, kunstmatige atomen in een halfgeleider, die de nieuwe methode als lichtpuntjes kon afbeelden. De wetenschappers prikkelden de atomen met een gepulseerde laser, die bij elke puls van kleur verandert. Als resultaat, de fluorescentie van het atoom wordt in- en uitgeschakeld.

Terwijl de STED-methode alleen werkt door ten minste vier energieniveaus in te nemen als reactie op de laserexcitatie, de nieuwe methode uit Bazel werkt ook met atomen die maar twee energietoestanden hebben. Dergelijke tweestatensystemen vormen belangrijke modelsystemen voor de kwantummechanica. In tegenstelling tot STED-microscopie, bij de nieuwe methode komt ook geen warmte vrij. “Dit is een enorm voordeel, aangezien elke vrijgekomen warmte de moleculen die je onderzoekt kan vernietigen, " legt Richard Warburton uit. "Onze nanoscoop is geschikt voor alle objecten met twee energieniveaus, zoals echte atomen, koude moleculen, kwantum stippen, of kleurcentra."