(Phys.org)—NIST Center for Nanoscale Science and Technology forskare Gregg Gallatin och Andrew Berglund (nu på Quantifind i Palo Alto, CA) har bestämt den optimala vägen för att skanna en laserstråle för att spåra en fluorescerande nanopartikel när partikeln rör sig inuti en vätska eller gas i två eller tre dimensioner.

Förmågan att noggrant spåra nanopartiklar är extremt användbar inom biologi, i vätskedynamik på nanoskala, och inom nanoteknik i allmänhet. I biologi, till exempel, om en eller flera fluorescerande nanopartiklar är fästa vid ett protein inuti en cell kan positionen och orienteringen av det proteinet spåras när det utför sina funktioner inuti cellen. Inom nanotillverkning, många tekniker involverar nanopartiklar eller nanostrukturer som smälter samman för att bilda användbara material eller anordningar och att optimera dessa processer kräver exakta data om hur dessa nanostrukturer rör sig. Den väg som forskarna tar fram anses vara optimal eftersom den ger mest exakta möjliga data om nanopartikelns position som en funktion av tiden.

Forskarna utvecklade en enkel formel för att bestämma den totala positionsnoggrannheten som en funktion av olika standardparametrar för laserstrålen såsom strålens intensitet och strålstorlek. Formeln för den optimala vägen härleddes med en klassisk matematisk teknik, variationskalkylen, och den resulterande lösningen verifierades genom att visa att den uppfyller villkoren för global optimalitet (dvs det är den bästa lösningen bland alla möjliga lösningar) med hjälp av teorin om optimal experimentell design. Positionsnoggrannheten bestämdes med hjälp av klassiska statistiska metoder. Intressant, även om banan kan vara jämn i två dimensioner, i tre dimensioner behöver strålen hoppa för att uppnå optimalitet.

Medan noggrannhetsformeln härleddes för den vanligaste laserstråleformen, en gaussisk, forskarna utökar arbetet för att visa hur en förändring av laserstrålens form ytterligare kan förbättra spårningsnoggrannheten.