Mikroskop, İlk Kez Atomik Ölçekte Işığı Görüntüledi

Ultradüşük Uç Salınım Genlikli Yakın Alan Optik Mikroskobu (ULA-SNOM) olarak adlandırılan teknik, malzemeleri en küçük ölçeklerde inceleme kabiliyetinde çarpıcı bir sıçramayı temsil ediyor.

Uluslararası araştırma ekibi, atomik kuvvet mikroskobisini görünür lazer aydınlatması ve özel olarak hazırlanmış bir gümüş uçla birleştirerek yalnızca bir kübik nanometre hacminde yoğunlaşmış bir ışık alanı oluşturdu. Tekil kusurlar ve moleküller gibi atomik yapıların optik görüntülenmesini mümkün kılan yöntem, geleneksel yöntemlerin ulaşamadığı çözünürlük seviyelerine erişti.

Kırınım Sınırının Ötesine Geçmek

Geleneksel optik mikroskoplar, kırınım sınırı olarak bilinen temel bir fiziksel engelle karşı karşıya kalır. Çözünürlük, görünür ışığın yaklaşık yarısı kadar olan 200 nanometre civarına kadar sınırlıdır. Geliştirilen yeni teknik, ışığı atomlardan bile küçük alanlara sıkıştırarak bu fiziksel sınırlamayı aşmayı başardı.

Tekniğin merkezinde, özenle hazırlanmış gümüş bir ucun yaklaşık 1 nanometre genliğinde—yaklaşık üç atom genişliğinde—salınım yaparak örnek yüzey üzerinde hareket ettirilmesi yer alıyor. Bu hareket, uç ile yüzey arasında ışığın hapsolduğu ve yoğunlaştığı plazmonik bir boşluk oluşmasını sağladı.

Çalışmalar, ultra yüksek vakum ve 8 Kelvin (-265°C) gibi kriyojenik sıcaklıklarda gerçekleştirildi. Bu koşullar, ışığın dar alanlara hapsedilmesi için gereken istikrarı sağladı; aynı zamanda titreşim ve kontaminasyonu önleyerek hassas ölçümler mümkün hale geldi.

Tek Atom Kalınlığında Silikon Adacıklar Görüntülendi

Tekniğin performansını göstermek amacıyla, araştırmacılar gümüş yüzey üzerinde yalnızca bir atom kalınlığındaki silikon adacıklarını görüntüledi. Malzeme kontrastı, inceliğe rağmen net bir şekilde ayırt edilebildi. Optik sinyal, silikon ve gümüş bölgeleri arasında belirgin farklılıklar ortaya koydu.

Başlıca Teknik Kazanımlar

• 1 nanometre seviyesinde optik görüntüleme çözünürlüğü
  
  
• Tek atomik katman düzeyinde malzeme ayrımı
  
  
• Eşzamanlı elektriksel, mekanik ve optik ölçüm kabiliyeti
  
  
• Kriyojenik vakum ortamında kararlı çalışma
  
  

Ekip, gümüş uçları fokuslanmış iyon ışını cilalama yöntemiyle nanometre hassasiyetinde şekillendirdi. Bu dikkatli hazırlık, ışığın uç kısmında aşırı derecede yoğunlaştırılması için kritik öneme sahipti.

Aynı Atoma Üç Farklı Perspektiften Bakmak

ULA-SNOM, aynı anda hem iletkenlik (taramalı tünelleme mikroskobu), hem mekanik kuvvet (atomik kuvvet mikroskobu), hem de optik özellikleri (ışık saçılması) ölçebilme yeteneğiyle öne çıkıyor. Üçlü perspektif, atom ve moleküllerin davranışlarını anlamaya dair eşsiz bir içgörü sunuyor.

Araştırmalar sırasında, salınım yapan uca uygulanan farklı harmonik frekansların örnek yüzeyi nasıl algıladığı incelendi. Düşük harmonikler, topografik yapı hakkında bilgi verirken; özellikle dördüncü harmonik, malzemeler arasındaki gerçek optik kontrastı açığa çıkardı.

Ucun yüzeye yaklaşmasıyla elde edilen veriler, elektriksel, mekanik ve optik sinyallerin ayrıştığını ve her birinin örneğin farklı fiziksel özelliklerine dair bağımsız bilgi sunduğunu doğruladı.

Yeni Ufukların Kapısını Aralıyor

ULA-SNOM, ışığın atomik düzeydeki davranışlarını anlamada çığır açıcı bir olanak sunuyor. Güneş enerjisi malzemelerinin incelenmesi, kuantum noktaların araştırılması ve biyomoleküllerin atomik hassasiyetle gözlemlenmesi gibi alanlarda kullanım potansiyeline sahip.

Malzeme bilimi açısından yöntem, atomik düzeydeki kusurlar ve ara yüzeyler üzerinden optik özelliklerin kontrolünü mümkün kılarak yeni optik cihazların ve daha verimli güneş pillerinin geliştirilmesini sağlayabilir.

Çalışma, plazmonik güçlendirme, atomik kuvvet mikroskobu ve kriyojenik ortamların birleştirilmesiyle mikroskopi alanında sınırların nasıl zorlandığını gösteriyor. Işığın atomlarla doğrudan nasıl etkileştiğini görebilme yeteneği, fizik, kimya ve malzeme bilimi için tamamen yeni araştırma yolları açıyor.

Sistem, özel donanım ve aşırı koşullar gerektirse de, altında yatan prensiplerin zamanla daha erişilebilir bilimsel ve endüstriyel uygulamalara uyarlanması olasılığı bulunuyor. Atomik ölçekte optik analiz, gelecekte standart laboratuvar pratiklerine entegre edilebilir hale gelebilir.

‍

‍

‍

‍

Kaynak: https://scienceblog.com/microscope-sees-light-at-the-atomic-scale-for-first-time/