Fysiker har utvecklat en teknik baserad på optisk mikroskopi som kan användas för att skapa bilder av atomer på nanoskala. Särskilt, den nya metoden möjliggör avbildning av kvantprickar i ett halvledarchip. Tillsammans med kollegor från University of Bochum, forskare från universitetet i Basel rapporterade resultaten i tidskriften Nature Photonics .

Konventionella optiska mikroskop kan inte användas för att avbilda enskilda molekyler och atomer, som mäter bara bråkdelar av en nanometer över. Detta har att göra med ljusets vågkaraktär och de tillhörande fysikaliska lagarna. Enligt dessa lagar, ett mikroskops maximala upplösning är lika med halva våglängden för det använda ljuset. Till exempel, om du använder grönt ljus med en våglängd på 500 nanometer, ett optiskt mikroskop kan i bästa fall, skilja objekt på ett avstånd av 250 nanometer.

Under de senaste åren har dock, forskare har kringgått denna upplösningsgräns för att skapa bilder av strukturer som bara mäter några nanometer. Att göra så, de använde lasrar med olika våglängder för att utlösa fluorescens i molekyler i en del av ämnet medan de undertryckte det i de omgivande områdena. Detta gör att de kan bildstrukturer som färgämnen, som bara är några nanometer stora. Utvecklingen av denna metod, stimulerad utsläppsminskning (STED) resulterade i Nobelpriset i kemi 2014.

Timo Kaldewey, från University of Basels institution för fysik och schweiziska nanovetenskapliga institutet, har nu arbetat med kollegor vid Ruhr-University Bochum (Tyskland) för att utveckla en liknande teknik som möjliggör avbildning av nanoskalaobjekt, särskilt ett kvantmekaniskt system med två nivåer. Fysikerna studerade vad som kallas kvantprickar, konstgjorda atomer i en halvledare, som den nya metoden kunde avbilda som ljuspunkter. Forskarna upphetsade atomerna med en pulserande laser, som ändrar färg under varje puls. Som ett resultat, atomens fluorescens slås på och av.

Medan STED -metoden bara fungerar genom att uppta minst fyra energinivåer som svar på laserexcitationen, den nya metoden från Basel fungerar också med atomer som bara har två energitillstånd. Tvåstatssystem av detta slag utgör viktiga modellsystem för kvantmekanik. Till skillnad från STED -mikroskopi, den nya metoden släpper heller ingen värme. "Detta är en stor fördel, eftersom all värme som släpps ut kan förstöra molekylerna du undersöker, "förklarar Richard Warburton." Vårt nanoskop är lämpligt för alla objekt med två energinivåer, som riktiga atomer, kalla molekyler, kvantprickar, eller färgcentra. "