I "Avengers:Endgame, "Tony Stark varnade Scott Lang för att det skulle vara en" miljarder-till-en-kosmisk fluke "att skicka honom till kvantområdet och återföra honom.

I verkligheten, det är inte lättare att krympa en ljusstråle till en nanometerstorlek för att spionera på kvantskaliga ljusmaterialinteraktioner och hämta informationen. Nu, ingenjörer vid University of California, Riverside, har utvecklat en ny teknik för att tunnla ljus in i kvantområdet med en oöverträffad effektivitet.

I en Nature Photonics papper, ett team som leds av Ruoxue Yan, en biträdande professor i kemi- och miljöteknik, och Ming Liu, en biträdande professor i el- och datateknik, beskriv världens första bärbara, billig, optiskt nanoskopiverktyg som integrerar en optisk glasfiber med en silver -nanotrådskondensor. Enheten är en högeffektiv rundturstunneltunnel som pressar synligt ljus till spetsen av kondensorn för att interagera med molekyler lokalt och skicka tillbaka information som kan dechiffrera och visualisera den svårfångade nanoworlden.

Vår förmåga att zooma in på de fina detaljerna i ett objekt begränsas av ljusets vågkaraktär. Om du någonsin använt ett optiskt mikroskop i en vetenskapsklass, du har förmodligen lärt dig att man bara kan förstora ett objekt med cirka 2, 000 gånger innan allt blir suddigt. Det beror på att det är omöjligt att skilja några funktioner som är finare än halva ljusets våglängd-några hundra nanometer för synligt ljus på långt fält-oavsett hur avancerat ditt mikroskop är.

Till skillnad från fjärrvågor, närfältvågor existerar bara mycket nära en ljuskälla och styrs inte av denna regel. Men de reser inte frivilligt och är mycket svåra att använda eller observera. Sedan 1920 -talet har forskare har trott att tvinga ljus genom ett litet hål på en metallfilm skulle generera nära fältvågor som kan omvandlas till detekterbart ljus, men de första framgångsrika prototyperna byggdes inte förrän ett halvt sekel senare.

I början av 1990 -talet Eric Betzig, Nobelpristagare i kemi 2014, gjort betydande förbättringar av tidigare prototyper när det gäller bildprestanda och tillförlitlighet. Sedan dess, optisk mikroskopi för närfältskanning, som tekniken är känd, har använts för att avslöja nanoskala detaljer för många kemikalier, biologisk, och materialsystem.

Tyvärr, nästan ett halvt sekel senare, denna teknik är fortfarande esoterisk och används av få.

"Att skicka ljus genom ett litet nålhål som är tusen gånger mindre än diametern på en hårstrå är ingen tårta, "Sa Liu." Bara några av en miljon fotoner, eller lätta partiklar, kan passera hålet och nå det objekt du vill se. Att få en enkelbiljett är redan utmanande; en biljett tur och retur för att få tillbaka en meningsfull signal är nästan en dagdröm. "

Forskare har gjort oändliga ansträngningar för att förbättra denna chans. Medan de mest sofistikerade sonderna idag bara tillåter en i 1, 000 fotoner för att nå objektet, UC Riverside -enheten levererar hälften av fotonerna till spetsen.

"Nyckeln till designen är en tvåstegs sekventiell fokuseringsprocess, "Sa Yan." I det första steget, våglängden för fjärrfältljuset ökar långsamt när det färdas nedåt en gradvis tunnare optisk fiber, utan att ändra dess frekvens. När den matchar våglängden för elektrontäthetsvågen i silver -nanotråden som ligger ovanpå den optiska fibern, bom! All energi överförs till elektrontäthetsvåg och börjar vandra på nanotrådens yta istället. "

I det andra steget i fokuseringsprocessen, vågen kondenseras gradvis till några nanometer vid spetsspetsen.

UC Riverside -enheten, en liten silvernål med ljus som kommer från spetsen "är ungefär som Harry Potters trollstav som lyser upp ett litet område, "förklarade Sanggon Kim, doktoranden som genomfört studien.

Kim använde enheten för att kartlägga frekvensen av molekylära vibrationer som gör att man kan analysera kemiska bindningar som håller atomer ihop i en molekyl. Detta är känt som spetsförstärkt Raman-spektroskopi, eller TERS, bildbehandling. TERS är den mest utmanande grenen av nära fält optisk mikroskopi, eftersom den behandlar mycket svaga signaler. Det kräver vanligtvis skrymmande, miljoner dollar utrustning för att koncentrera ljus och tröttsamt förberedelsearbete för att få superupplösta bilder.

Med den nya enheten, Kim uppnådde 1-nanometer upplösning på en enkel bärbar utrustning. Uppfinningen kan vara ett kraftfullt analysverktyg som lovar att avslöja en ny värld av information för forskare inom alla discipliner inom nanovetenskap.

"Integrationen av en fiber-nanotrådsmontering med spetsförbättrad Raman-spektroskopi i kombination med ett scanningstunnelmikroskop möjliggör insamling av högupplösta kemiska bilder i en enkel och elegant installation, placera detta verktyg i framkant inom optisk avbildning och spektroskopi. Vi är stolta över denna prestation och dess inverkan på kemisk forskning. Vi uppmuntras ännu mer av dess möjliga tillämpning inom ett brett spektrum av discipliner som biologisk forskning och materialforskning, vilket kommer att främja vetenskapliga framsteg, "sa Lin He, tillförordnad biträdande avdelningsdirektör för National Science Foundation Division of Chemistry som delvis finansierade forskningen.