Topologisch gestructureerd licht detecteert de positie van nano-objecten met atomaire resolutie

Optische beeldvorming en metrologietechnieken zijn belangrijke hulpmiddelen voor onderzoek dat geworteld is in biologie, geneeskunde en nanotechnologie. Hoewel deze technieken de laatste tijd steeds geavanceerder zijn geworden, zijn de resoluties die ze bereiken nog steeds aanzienlijk lager dan die van methoden die gebruikmaken van gefocuste elektronenbundels, zoals transmissie-elektronenspectroscopie op atomaire schaal en cryo-elektronentomografie.

Onderzoekers van de Universiteit van Southampton en Nanyang Technological University hebben onlangs een niet-invasieve benadering geïntroduceerd voor optische metingen met een resolutie op atomaire schaal. Hun voorgestelde aanpak, uiteengezet in Natuur materialenzou opwindende nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor onderzoek op verschillende gebieden, waardoor wetenschappers systemen of verschijnselen kunnen karakteriseren op een schaal van een fractie van een miljardste van een meter.

“Sinds de negentiende eeuw zijn verbeteringen van de ruimtelijke resolutie van microscopie een belangrijke trend in de wetenschap geweest die is gemarkeerd met ten minste zeven Nobelprijzen”, vertelde Nicolay I. Zheludev, een van de onderzoekers die de studie uitvoerde, aan Phys.org. “Onze droom was om technologie te ontwikkelen die gebeurtenissen op atomaire schaal met licht kan detecteren, en we hebben hier de afgelopen drie jaar aan gewerkt.”

In hun experimenten demonstreerden Zheludev en zijn collega’s metrologie op atomaire schaal door enkelvoudige beelden te verzamelen van het diffractiepatroon van topologisch gestructureerd licht met een golflengte van λ = 488 nm verspreid over een zwevende nanodraad van 17 μm lang en 200 nm. -breed, om de positie ten opzichte van de vaste randen van het monster te bepalen.

De onderzoekers trainden vervolgens een deep learning-algoritme op een dataset van enkelvoudige beelden van verstrooiingspatronen die optraden toen de nanodraad in 301 verschillende posities werd geplaatst. Na training kon dit algoritme de posities van een bepaalde nanodraad voorspellen op basis van het verstrooide lichtpatroon dat werd geregistreerd door de sensor van het team.

“Het belangrijkste idee achter onze aanpak is om complex licht te gebruiken dat op een zeer fijne schaal is gestructureerd, het superoscillerende licht dat singulariteiten bevat”, legt Zheludev uit. “Als een object met een subgolflengte in zo’n veld beweegt, is het verstrooiingspatroon van licht op het object erg gevoelig voor de vorm en positie van het object. We gebruiken een vorm van kunstmatige intelligentie, een diepgaande leeranalyse van de verstrooide lichtintensiteit profiel om de positie van het object te reconstrueren.”

In de proof-of-principle-experimenten van het team presteerde hun optische lokalisatiemetrologiemethode opmerkelijk goed, waarbij de positie van de zwevende nanodraad werd opgelost met een subatomaire precisie van 92 pm (dwz rond λ/5.300), terwijl de nanodraad van nature thermisch oscilleerde met amplitude van ∼150 uur. Ter referentie: een siliciumatoom heeft een diameter van 220 pm.

“Onze belangrijkste prestatie was het bereiken van een resolutie op atomaire schaal bij het detecteren van de positie van nano-objecten met licht”, zei Zheludev. “We hebben een resolutie bereikt die duizenden keren beter is dan conventionele microscopen kunnen bieden. Ons werk opent het gebied van picofotonica, de wetenschap van licht-materie-interacties op de picometerschaal.”

In hun recente studie toonden Zheludev en zijn collega’s het potentieel aan van het gebruik van optische metrologie met topologisch gestructureerd licht om metingen op atomaire schaal te verzamelen. In de toekomst zou de in hun paper geïntroduceerde benadering door andere onderzoeksteams over de hele wereld kunnen worden gebruikt om subtiele verschijnselen in meer detail en op niet-invasieve manieren met behulp van licht te bestuderen.

“We werken nu aan het detecteren van picometerbewegingen met een hoge framesnelheid, zodat we een video kunnen maken met de echte dynamiek van de Brownse beweging van een object op nanoschaal”, voegde Zheludev toe.