Нанолазеры смогут обойти дифракционный предел в микроскопии

Схема эксперимента по визуализации перовскитного нанолазера. Врез слева сверху — флуоресценция нанокристалла, генерация лазерного излучения и пятно лазера накачки. Справа сверху — электронная микрофотография нанокристалла перовскита

Sangyeon Cho et al. / PRL, 2016

Физики из Массачусетского технологического института, Гарвардской медицинской школы и Института Йозефа Стефана (Словения) предложили новый способ для того, чтобы обойти дифракционный предел в оптической микроскопии. Ученые предложили использовать в качестве красителя наночастицы, способные работать как лазеры. По словам авторов, методика может показать себя наилучшим образом при исследовании внутренних областей объемных образцов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Дифракционный предел возникает из-за волновой природы света — оптические системы не могут сфокусировать свет в пятно, размер которого меньше, чем половина длины волны. Из-за этого обычные оптические микроскопы не могут «разглядеть» объекты и различить детали с размером в сто нанометров и менее. Существуют различные подходы для того, чтобы обойти это ограничение — например, сканирующая ближнепольная микроскопия. В ней размер диафрагмы (отверстия, через которое проходит свет от образца) во много раз меньше длины волны света. Ее альтернатива, лазерная конфокальная микроскопия, освещает лишь небольшой участок образца лазером с короткой длиной волны и фиксирует флуоресценцию красителя. 

Авторы новой работы предложили использовать в качестве красителя наночастицы иодида метиламмония-свинца, перовскитного материала, который в последнее время рассматривают как перспективный компонент для солнечных батарей. Ученые синтезировали наностержни материала с диаметром 300-500 нанометров и длиной 3000-7000 нанометров. Внутри таких объектов свет может много раз переотражаться — в результате возникает ситуация, аналогичная накачке лазера. 

В эксперименте по визуализации физики использовали для накачки перовскитного кристалла лазерный свет с длиной волны 532 нанометра. Он формировал эллиптическое пятно на образце с диаметром в несколько микрометров (2,4×9,5 микрометра). Когда пятно лазера накачки попадало на нанокристалл, ученые фиксировали резкий всплеск лазерного свечения на длине волны в 775 нанометров. Включение и отключение свечения зависело от интенсивности излучения, падавшего на кристалл — для запуска генерации лазерного света требовалось, чтобы эта величина превосходила определенный порог. 

По словам физиков, подобная система способна достичь разрешения в 50 нанометров при использовании достаточно мелких нанолазеров. В теории это разрешение может быть еще выше, если использовать в качестве генераторов лазерного свечения другие материалы, например, квантовые точки, связанные с белковыми комплексами. 

Иодид метиламмония-свинца — смешанный неорганический-органический перовскит, отличающийся тем, что его очень легко синтезировать. Вырастить кристаллы этого вещества можно даже в пробирке, при этом, как мы сообщали ранее, их добротность при генерации лазерного света выше, чем у традиционных полупроводниковых лазеров на основе арсенида галлия.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.