Микроскопы позволяют нам видеть структуры, которые иначе невидимы для человеческого глаза. Однако обычные оптические микроскопы не могут использоваться для изображения отдельных молекул и атомов, размер которых составляет доли нанометра. Это связано с волновой природой света и соответствующими законами физики, которые были сформулированы немецким физиком Эрнстом Аббе еще в 1873 году.Согласно этим законам максимальное разрешение микроскопа равно половине длины волны используемого света.
Например, если вы используете зеленый свет с длиной волны 500 нанометров, оптический микроскоп может в лучшем случае различать объекты на расстоянии 250 нанометров.Включено и выключено
Однако в последние годы ученым удалось обойти этот предел разрешения и создать изображения структур размером всего несколько нанометров. Для этого они использовали лазеры с различной длиной волны, чтобы вызвать флуоресценцию в молекулах в части вещества, подавляя ее в окружающих областях. Это позволяет им отображать такие структуры, как молекулы красителя, размер которых составляет всего несколько нанометров. Разработка этого метода (Stimulated Emission Depletion, STED) была отмечена Нобелевской премией по химии 2014 года.
Для всех объектов с двумя уровнями энергииТимо Калдевей из группы профессора Ричарда Варбертона на факультете физики Базельского университета и Швейцарском нанонаучном институте теперь работал с коллегами из Рурского университета в Бохуме (Германия) над разработкой аналогичной техники, которая позволяет создавать изображения наноразмерных объектов, в частности квантовых объектов. механическая двухуровневая система.Физики изучали так называемые квантовые точки, искусственные атомы в полупроводнике, которые с помощью нового метода удалось отобразить в виде ярких пятен.
Ученые возбудили атомы импульсным лазером, который меняет свой цвет во время каждого импульса. В результате флуоресценция атома включается и выключается.
В то время как метод STED работает только при занятии по крайней мере четырех различных энергетических уровней в ответ на лазерное возбуждение, новый метод из Базеля также работает с атомами, которые имеют только два энергетических состояния. Подобные системы с двумя состояниями представляют собой важные модельные системы для квантовой механики.В отличие от STED-микроскопии, новый метод также не выделяет тепла. «Это огромное преимущество, так как любое выделенное тепло может разрушить молекулы, которые вы исследуете», — объясняет Ричард Уорбертон. «Наш наноскоп подходит для всех объектов с двумя уровнями энергии, таких как реальные атомы, холодные молекулы, квантовые точки или центры окраски».
Проект получил финансирование, среди прочего, из Национального центра компетенций в исследованиях «Квантовая наука и технология» (NCCR QSIT), Швейцарского национального научного фонда и Европейского Союза в рамках программы FP7.