Hemligheterna bakom de mystiska elektromagnetiska "hotspots" i nanostorlek som dyker upp på metallytor under en lampa avslöjas äntligen med hjälp av ett BEAST. Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory har utvecklat en enda molekyl avbildningsteknik, kallade Brownian Emitter Adsorption Super-resolution Technique (BEAST), som har gjort det möjligt för första gången att direkt mäta det elektromagnetiska fältet inuti en hotspot. Resultaten lovar ett antal tekniker inklusive solenergi och kemisk avkänning.

"Med vår BEAST -metod, vi kunde kartlägga den elektromagnetiska fältprofilen inom en enda hotspot som
liten som 15 nanometer med en noggrannhet ner till 1,2 nanometer, på bara några minuter, säger Xiang Zhang,
en huvudutredare vid Berkeley Labs Materials Sciences Division och Ernest S. Kuh Endowed Chaired Professor vid University of California (UC), Berkeley. "Vi upptäckte att fältet är mycket lokaliserat och, till skillnad från ett typiskt elektromagnetiskt fält, sprider sig inte genom rymden. Fältet har också en exponentiell form som stiger brant till en topp och sedan avtar mycket snabbt."

Zhang, som leder Center for Scalable and Integrated NanoManufacturing (SINAM), ett National Science Foundation Nano-scale Science and Engineering Center vid UC Berkeley, är motsvarande författare till en artikel om denna forskning som visas i tidskriften Natur under titeln "Mapping the Distribution of Electromagnetic Field Inside a 15nm sized hotspot by Single Molecule Imaging." Medförfattare av tidningen med Zhang var Hu Cang, Anna Labno, Changgui Lu, Xiaobo Yin, Ming Liu och Christopher Gladden.

Under optisk belysning, grova metallytor kommer att bli prickade med mikroskopiska hotspots, där ljuset är starkt begränsat i områden som mäter tiotals nanometer i diameter, och den oelastiska Raman-spridningen av ljuset förstärks med upp till 14 storleksordningar. Först observerades för mer än 30 år sedan, sådana hotspots har kopplats till inverkan av ytråhet på plasmoner (elektroniska ytvågor) och andra lokala elektromagnetiska lägen.
Dock, under de senaste tre decennierna, lite har lärt sig om ursprunget till dessa hotspots.

"Otroligt, trots tusentals artiklar om detta problem och olika teorier, vi är de första som experimentellt bestämmer arten av det elektromagnetiska fältet inuti en sådan nanostor hotspot, säger Hu Cang, huvudförfattare på Natur papper och medlem i Zhangs forskargrupp. "Den 15 nanometer hotspot vi mätte är ungefär lika stor som en proteinmolekyl. Vi tror att det finns hotspots som till och med kan vara mindre än en molekyl."

Eftersom storleken på dessa metalliska hotspots är mycket mindre än våglängden för infallande ljus, en ny teknik behövdes för att kartlägga det elektromagnetiska fältet inom en hotspot. Berkeley -forskarna utvecklade BEAST -metoden för att dra nytta av att enskilda fluorescerande färgmolekyler kan lokaliseras med en enkel nanometer noggrannhet. Fluorescensintensiteten hos enskilda molekyler adsorberade på ytan ger ett direkt mått på det elektromagnetiska fältet inuti en enda hotspot. BEAST använder den Brownska rörelsen av enfärgade molekyler i en lösning för att få färgämnena att skanna insidan av en enda hotspot stokastiskt, en molekyl i taget.

"Den exponentiella formen vi hittade för det elektromagnetiska fältet inom en hotspot är ett direkt bevis för att det finns ett lokaliserat elektromagnetiskt fält, i motsats till den vanligare formen av Gaussisk distribution, "Cang säger." Det finns flera konkurrerande mekanismer som föreslås för hotspots och vi arbetar nu med att ytterligare undersöka dessa grundläggande mekanismer. "

BEAST börjar med nedsänkningen av ett prov i en
lösning av fritt spridande fluorescerande färgämne. Eftersom spridningen av färgämnet är mycket snabbare än bildinsamlingstiden (0,1 millisekunder mot 50 till 100 millisekunder), fluorescensen ger en homogen bakgrund. När en färgämnesmolekyl adsorberas på ytan av en hotspot, det framstår som en ljuspunkt i bilder, med intensiteten på platsen som rapporterar den lokala fältstyrkan.

"Genom att använda en metod för lokalisering av en molekyl med maximal sannolikhet, molekylen kan lokaliseras med en enda nanometers noggrannhet, " säger Zhang. "Efter att färgämnesmolekylen har blekts (vanligtvis inom hundratals millisekunder), fluorescensen försvinner och hotspoten är redo för nästa adsorptionshändelse."

Att välja rätt koncentration av färgämnesmolekylerna möjliggör adsorptionshastigheten på ytan av en hotspot
att styras så att endast en adsorberad molekyl avger fotoner åt gången. Eftersom BEAST använder en kamera för att registrera adsorptionshändelserna för en enda molekyl, flera hotspots inom ett synfält på upp till en kvadratmillimeter kan avbildas parallellt.

I deras tidning, Zhang och hans kollegor ser hotspots tas i bruk i ett brett spektrum av applikationer, börjar med tillverkning av högeffektiva solceller och enheter som kan upptäcka svaga kemiska signaler.

"En hotspot är som en lins som kan fokusera ljus till en liten punkt med en fokuseringsförmåga långt bortom någon konventionell optik, "Cang säger." Medan en konventionell lins bara kan fokusera ljus till en plats ungefär hälften av våglängden för synligt ljus (cirka 200-300 nanometer), vi bekräftar nu att en hotspot kan fokusera ljus till en nanometerstor punkt."

Genom denna exceptionella fokuseringskraft, hotspots kan användas för att koncentrera solljus på fotokatalytiska platser för solenheter, hjälper därmed till att maximera ljusskörd och vattenfördelningseffektivitet. För detektering av svaga kemiska signaler, t.ex., från en singel
molekyl, en hotspot kan användas för att fokusera infallande ljus så att den bara lyser upp den intressanta molekylen, vilket förstärker signalen och minimerar bakgrunden.

BEAST gör det också möjligt att studera ljusets beteende när det passerar genom ett nanomaterial, en kritisk faktor för den framtida utvecklingen av nanooptik och metamaterialenheter. Nuvarande experimentella tekniker lider av begränsad upplösning och är svåra att implementera på verkligt nanoskala.

"BEAST erbjuder en aldrig tidigare skådad möjlighet att mäta hur ett nanomaterial förändrar fördelningen av ljus, som kommer att styra utvecklingen av avancerade nano-optiska enheter, " säger Cang. "Vi kommer också att använda BEAST för att svara på några utmanande problem inom ytvetenskap, som var och vilka är de aktiva platserna i en katalysator, hur energin eller laddningarna överförs mellan molekyler och ett nanomaterial, och vad som bestämmer ythydrofobicitet. Dessa problem kräver en teknik med elektronmikroskopinivåupplösning och optisk spektroskopiinformation. BEAST är ett perfekt verktyg för dessa problem. "