Золотая пирамида помогла обойти дифракционный предел микроскопии

Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли разработали новый метод создания зондов для ближнепольной оптической микроскопии, с помощью которых можно получать изображение с разрешением ниже дифракционного предела. Представленный метод может быть использован для относительно массового производства и позволит снизить стоимость таких зондов. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Из-за волновой природы света существует дифракционный предел, который ограничивает разрешение традиционной оптической микроскопии до расстояний порядка половины длины волны света. В конце прошлого века этот предел удалось обойти с помощью ближнепольной оптической микроскопии. Кратко принцип ее действия можно представить следующим образом: перед источником света ставится диафрагма с размером отверстия гораздо меньшим, чем длина волны света. Проходящий через эту диафрагму свет проникает на расстояние, сопоставимое с размером отверстия (поэтому метод называется ближнепольным). Если на этом расстоянии установлен исследуемый образец, то таким способом можно получить изображение его поверхности с разрешением порядка десятков нанометров – в разы меньше длин волн видимого света.

Одной из главных проблем этого метода является сложный и долгий процесс производства зондов, из-за чего его сложно масштабировать и сделать массовым. Также, существующие методы имеют проблемы с повторяемостью результатов и, как следствие, качеством производимых зондов. Исследователи решили создать гораздо более быстрый метод, который сделал бы исследования с помощью ближнепольной оптической микроскопии доступнее для других ученых.

Вместо того, чтобы каждый раз создавать зонд с помощью ионного травления, ученые решили создать эталон для дальнейшего быстрого копирования. С помощью метода нанопечатной литографии была создана пирамида, на конце которой был вытравлен вырез шириной в 130 нанометров. Затем с ее помощью в специальном материале создавался отпечаток пирамиды. Отпечаток прислонялся к оптоволокну, а между ними наносился специальный состав, который затвердевал под действием ультрафиолета и скреплял пирамиду с оптоволокном. На конечной стадии на пирамиду, присоединенную к оптоволокну, наносился слой золота, из-за чего вырез на конце уменьшался до 70 нанометров.

Полученная конструкция была испытана в качестве зонда для фотолюминесцентной микроскопии. Исследователи утверждают, что полученные результаты показали разрешение около 80 нанометров – в несколько раз меньше, чем дифракционный предел для видимого света.

Несмотря на то, что на создание изначальной заготовки ушло несколько недель, дальнейшее копирование на ее основе позволяет производить несколько зондов в день. Ученые надеются, что их технология позволит сделать ближнепольную микроскопию доступнее для исследований.

Недавно были представлены несколько необычных способов преодолеть дифракционный предел в оптической микроскопии. К примеру, с помощью веерообразной суперлинзы или нанолазеров.

Григорий Копиев