Nanomaterial spelar en viktig roll på många områden i det dagliga livet. Det finns alltså ett stort intresse för att få detaljerad kunskap om deras optiska och elektroniska egenskaper. Konventionella mikroskop överskrider sina gränser när partikelstorleken faller till intervallet några tio nanometer där en enda partikel bara ger en försvinnande liten signal. Som en konsekvens, många undersökningar är begränsade till stora ensembler av partiklar. Nu, ett team av forskare från Laser Spectroscopy Division av Prof. Theodor W. Hänsch (direktör vid Max Planck Institute of Quantum Optics och ordförande för experimentell fysik vid Ludwig-Maximilians-Universität München) har utvecklat en teknik, där en optisk mikrokavitet används för att förstärka signalerna mer än 1000 gånger och samtidigt uppnå en optisk upplösning nära den fundamentala diffraktionsgränsen. Möjligheten att studera de optiska egenskaperna hos enskilda nanopartiklar eller makromolekyler lovar spännande potential för många områden inom biologin, kemi, och nanovetenskap.

Spektroskopiska mätningar på stora ensembler av nanopartiklar lider av det faktum att individuella skillnader i storlek, form, och molekylär sammansättning tvättas ut och endast genomsnittliga kvantiteter kan extraheras. Det finns alltså ett stort intresse för att utveckla singelpartikelkänsliga tekniker. "Vår metod är att fånga sondljuset som används för avbildning inuti en optisk resonator, där den cirkulerar tiotusentals gånger. Detta förbättrar interaktionen mellan ljuset och provet, och signalen blir lätt mätbar", förklarar Dr. David Hunger, en av forskarna som arbetar med experimentet. "För ett vanligt mikroskop, signalen skulle bara vara en miljondel av ineffekten, vilket knappast är mätbart. På grund av resonatorn, signalen förstärks med en faktor på 50 000."

I mikroskopet, byggd av Dr. David Hunger och hans team, ena sidan av resonatorn är gjord av en plan spegel som samtidigt tjänar som bärare för de nanopartiklar som undersöks. Motsvarigheten är en kraftigt böjd spegel på ändfacetten av en optisk fiber. Laserljus kopplas in i resonatorn genom denna fiber. Den plana spegeln flyttas punkt för punkt i förhållande till fibern för att föra partikeln steg för steg in i dess fokus. På samma gång, avståndet mellan båda speglarna justeras så att villkoret för uppkomsten av resonanslägen är uppfyllt. Detta kräver en noggrannhet i intervallet för picometrar.

För deras första mätningar, forskarna använde guldsfärer med en diameter på 40 nanometer. "Guldpartiklarna fungerar som vårt referenssystem, eftersom vi kan beräkna deras egenskaper exakt och därför kontrollera giltigheten av våra mätningar", säger David Hunger. "Eftersom vi känner till de optiska egenskaperna hos vår mätapparat mycket noggrant, vi kan bestämma de optiska egenskaperna hos partiklarna från transmissionssignalen kvantitativt och jämföra den med beräkningen." I motsats till andra metoder som förlitar sig på direkt signalförbättring, ljusfältet är begränsat till ett mycket litet område, så att genom att endast använda det grundläggande läget, en rumslig upplösning på 2 mikron uppnås. Genom att kombinera högre ordningslägen, forskarna kunde till och med öka upplösningen till cirka 800 nanometer.

Metoden blir ännu mer kraftfull när både absorberande och dispersiva egenskaper hos en enskild partikel bestämdes samtidigt. Detta är intressant speciellt om partiklarna inte är sfäriska utan t.ex. långsträckt. Sedan, motsvarande kvantiteter beror på orienteringen av ljusets polarisering med avseende på partikelns symmetriaxlar. "I vårt experiment använder vi guld nanorods (34x25x25 nm ³ ) och vi observerar hur resonansfrekvensen skiftar beroende på orienteringen av polarisationen. Om polarisationen är orienterad parallellt med stavens axlar, skiftningen av resonansen är större än om polarisationen är ortogonalt orienterad, vilket resulterar i två olika resonansfrekvenser för båda ortogonala polarisationerna" förklarar Matthias Mader, Doktorand vid experimentet. "Denna dubbelbrytning kan mätas mycket exakt och är en mycket känslig indikator för partikelns form och orientering."

"Som en tillämpning av vår metod, vi skulle kunna tänka oss t.ex. undersöka den temporala dynamiken hos makromolekyler, som veckningsdynamiken hos proteiner", säger David Hunger. "Sammantaget ser vi en stor potential för vår metod:från karakterisering av nanomaterial och biologiska nanosystem till spektroskopi av kvantemitter."