2014 års kemi Nobelpris erkände viktig mikroskopiforskning som möjliggjorde avsevärt förbättrad rumslig upplösning. Denna innovation, vilket resulterar i nanometerupplösning, möjliggjordes genom att göra källan (sändaren) till belysningen ganska liten och genom att flytta den ganska nära objektet som avbildas. Ett problem med detta tillvägagångssätt är att i sådan närhet, sändaren och föremålet kan interagera med varandra, göra den resulterande bilden suddig. Nu, en ny JQI-studie har visat hur man kan skärpa nanoskalamikroskopi (nanoskopi) ännu mer genom att bättre lokalisera ljuskällans exakta position.

Diffraktionsgräns

Traditionell mikroskopi begränsas av ljusets diffraktion runt föremål. Det är, när en ljusvåg från källan träffar föremålet, vågen kommer att sprida sig något. Denna spridning begränsar den rumsliga upplösningen för ett konventionellt mikroskop till inte bättre än ungefär halva våglängden av det ljus som används. För synligt ljus, diffraktion begränsar upplösningen till att inte vara bättre än några hundra nanometer.

Hur då, kan mikroskopi med synligt ljus uppnå en upplösning ner till flera nanometer? Genom att använda små ljuskällor som inte är större än några nanometer i diameter. Exempel på dessa typer av ljuskällor är fluorescerande molekyler, nanopartiklar, och kvantprickar. JQI-arbetet använder kvantpunkter som är små kristaller av ett halvledarmaterial som kan sända ut enstaka fotoner av ljus. Om sådana små ljuskällor är tillräckligt nära objektet som är avsett att kartläggas eller avbildas, funktioner i nanometerskala kan lösas. Denna typ av mikroskopi, kallad "superupplöst bildbehandling, " överstiger standarddiffraktionsgränsen.

Bild-dipolförvrängningar

JQI-kollegan Edo Waks och hans kollegor har utfört nanoskopiska kartläggningar av den elektromagnetiska fältprofilen runt silver nanotrådar genom att placera kvantprickar (sändaren) i närheten. (Tidigare arbete:phys.org/news/2013-02-quantum- … probe-nanowires.html ). De upptäckte att sub-våglängdsavbildning led av ett grundläggande problem, nämligen att en "bilddipol" inducerad i ytan av nanotråden förvrängde kunskapen om kvantpunktens sanna position. Denna osäkerhet i kvantpunktens position översätts direkt till en förvrängning av objektets elektromagnetiska fältmätning.

Förvrängningen beror på det faktum att en elektrisk laddning placerad nära en metallyta kommer att producera just ett sådant elektriskt fält som om en spöklik negativ laddning var placerad så långt under ytan som den ursprungliga laddningen är ovanför den. Detta är analogt med bilden du ser när du tittar på dig själv i en spegel; spegelobjektet verkar vara lika långt bakom spegeln som du är framför. Kvantpunkten har ingen elektrisk nettoladdning men den har en elektrisk nettodipol, en liten förskjutning av positiv och negativ laddning inom punkten.

Så när pricken närmar sig tråden, tråden utvecklar en "bild" elektrisk dipol vars emission kan störa punktens egen emission. Eftersom det uppmätta ljuset från punkten är substansen i avbildningsprocessen, närvaron av ljus som kommer från "bilddipolen" kan störa ljus som kommer direkt från punkten. Detta förvränger punktens uppfattade position med en mängd som är 10 gånger högre än den förväntade spatiala noggrannheten för bildtekniken (som om nanotråden skulle fungera som en sorts funhouse-spegel).

JQI-experimentet mätte framgångsrikt bild-dipoleffekten och visade korrekt att den kan korrigeras under lämpliga omständigheter. Det resulterande arbetet ger en mer exakt karta över de elektromagnetiska fälten som omger nanotråden.

JQI-forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

Huvudförfattaren Chad Ropp (nu postdoktor vid University of California, Berkeley) säger att huvudmålet med experimentet var att producera bättre superupplösningsavbildning:"Varje gång du använder en nanoskala emitter för att utföra superupplösningsavbildning nära en metall eller högdielektrisk struktur kan bild-dipoleffekter orsaka fel. Eftersom dessa effekter kan förvränga mätningen av nano-emitterns position, de är viktiga att överväga för alla typer av superupplöst bildbehandling som utför rumslig kartläggning."

"Historiskt har forskare antagit försumbara fel i noggrannheten av superupplöst bildbehandling, ", säger Ropp. "Vad vi visar här är att det verkligen finns betydande felaktigheter och vi beskriver en procedur för hur man korrigerar för dem."