Nanostrukturer är den heliga gralen av nya material. Undermaterialet grafen, till exempel, är ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt mönster som, på grund av dess ledningsförmåga, flexibilitet, transparens och styrka, har potential att skapa effektivare solceller, mindre och snabbare elektriska kretsar och mikrochips, transparenta displayer, och högdensitetskondensatorer och batterier.

Enligt Xiaoji Xu, biträdande professor vid Institutionen för kemi vid Lehigh University, en annan egenskap som gör nanomaterial som grafen så speciella är deras förmåga att generera ett fysikfenomen som kallas polariton.

Polaritoner är kvasipartiklar som härrör från en stark koppling av elektromagnetiska vågor med en elektrisk eller magnetisk dipolbärande excitation – av vissa kallad en ljus-materia-koppling. Polaritoner gör det möjligt för nanostrukturer att begränsa – och komprimera – ljus runt materialet.

Förmågan att komprimera ljus är nyckeln till att skala ner enheter för framtida optisk kommunikation och datoranvändning. Det kan också leda till avkänning i en skala under en nanometer, viktigt för att uppnå biomedicinska framsteg inom sjukdomsdetektering, förebyggande och behandling.

Utmaningen för människor som studerar detta material, säger Xu, är hur man avslöjar – och karakteriserar – polaritonerna i nanoskala eftersom inget konventionellt mikroskop kan göra det.

Nu har Xu och hans team hittat ett sätt att avslöja 3D-formen av polaritoninteraktionen runt en nanostruktur. Deras teknik förbättrar den vanliga spektroskopiska avbildningstekniken känd som scattering-typ scanning near-field optical microscopy (s-SNOM). Teamets metod, kallad peak force scattering-typ scanning near-field optical microscopy (PF-SNOM), fungerar genom en kombination av toppkraftsläge och tidsstyrd ljusdetektering. Forskarna har beskrivit sitt arbete i en artikel som heter:"Tomographic and multimodal scattering-type scanning near-field optical microscopy with peak force tapping mode" publicerad online den 21 maj 2018 i Naturkommunikation . Förutom Xu, tidningens medförfattare inkluderar Haomin Wang, Le Wang och Devon S. Jakob, Ph.D. studenter i Xus labb.

I tidningen, författarna säger:"PF-SNOM möjliggör direkt sektionering av vertikala närfältssignaler från en provyta för både tredimensionell närfältsavbildning och spektroskopisk analys. Spetsinducerad relaxation av ytfononpolaritoner avslöjas och modelleras genom att överväga spetsdämpning ."

Enligt forskarna, PF-SNOM erbjuder också en förbättrad rumslig upplösning på fem nanometer, snarare än de typiska tio nanometer som erbjuds av den traditionella s-SNOM.

"Vår teknik kan vara till nytta för forskare som studerar nanostrukturer och gör det möjligt för dem att bättre förstå hur det elektriska fältet är fördelat runt en given nanostruktur, säger Xu.

Deras PF-SNOM karakteriseringsmetod är inte bara mer direkt än befintliga tekniker, den kan också samtidigt erhålla polariton, mekanisk och elektrisk information.

Med en mätning, förklarar Xu, flera informationssätt kan erhållas - en unik fördel.

Utvecklingen av PF-SNOM växte fram ur lagets studie av gap mode, när två plasmoniska strukturer närmar sig inom några få nanometer sker en enorm förbättring av plasmonintensiteten i gapet mellan de två strukturerna när energi överförs från en struktur till den andra. Med sin förmåga att minska detta gap-modsvar i simuleringar, forskarna bestämde sig för att försöka utöka den till icke-gap-läge – när man ökar avståndet mellan atomkraftmikroskopi (AFM) sondspets och provet.

"Med hjälp av ett AFM-tips, vi mätte det spridda ljuset som en funktion av spets-provavstånd, " förklarar Wang, en Ph.D. student i Xus labb och en medförfattare på papperet. "Vi samlade sedan information på olika spetsprovsavstånd och kombinerade all denna skiktade information tillsammans för att erhålla den tomografiska bilden och avslöja 3D-polaritonstrukturen."

Intressant, När teamet började sina experiment förväntade de sig ett annat resultat. Dock, under simuleringarna, de observerade en speciell form av ljusspridning och såg att det fanns en tydlig förbättring av gapet.

"Det visade sig att vi kunde sektionera ljuset i olika spetsprovavstånd och använda dessa signaler för att se närfältsresponsen i olika lager och i vertikala riktningar, säger Wang.

Han tillägger:"Även om det här arbetet gjordes med infraröd, i princip skulle den kunna utvidgas till andra frekvenser, såsom synlig och terahertz."