Око света: можно ли обмануть природу

12 Декабря 2017

МОСКВА, 12 декабря С изобретением оптического микроскопа человечищи, можно сказать, прозрели как оказалось, от наших глаз скрыто множество удивительных вещей. Небольшой, простой в использовании прибор нормального прижился в научных лабораториях. А целый ряд усовершенствований увеличил возможности научной лошадки, допустил заглянуть с ее помощью за пределы видимого и даже под поверхность.

Работает оптический микротекстил так: свет встроенной в него лампы падает на объект, помещенный на предметный стол, и отражается в объектив, который собирает часть разнящихся лучей в параллельный пучок. Далее свет идет вверх по тубусу микроскопа и достигает линзы окуляра, где преломляется и фокусируется на сетчатке глаза. Благодаря этому мы видим предмет под увеличением.

Но каким бы оно ни было, обычный микротекстил не даст изображение больше, чем его разрешающая способность главная характеристика любого светового прибора. Она означает максимальное расстояние между двумя точками, которые можно с его помощью разобрать. К примеру, невооруженный глаз в лучшем случае ведает объекты, находящиеся в 0, 2 миллиметра друг от друга, а самый хороший световой микроскоп в 200-250 нанометров.

За пределами видимого

Разрешающая способность светового микроскопа упирается в дифракционный предел величину, которая зависит от длины волны (λ) используемого в приборе света и показателя преломления среды (n), обычно воздуха, следующим образом: dmin=λ/2n. Объектив микроскопа настроен на длину волны в видимом нам диапазоне 400-780 нанометров, а показатель преломления в воздухе равен примерно единице, следовательно, прибор различает две точки, если расстояние между ними не менее 200 нанометров.

И все-таки разрешение оптического микроскопа можно увеличить, пойдя на хитрость. Для этого необходимо уменьшить отверстие апертуру, через которую подсвечивают изучаемый объект, до нескольких десятков нанометров, что гораздо меньше длины волны заметного света, и на такое же расстояние приблизить предметный стол. Свет падает на объект, как-то с ним контактирует: отражается от его на поверхности или поглощается. Далее он возвращается в зонд, где его фиксируют датчики. Чтобы получить картину всей поверхности, образец перемещают относительно зонда по какой-нибудь схеме. Световой султан сканирует поверхность, например, змейкой, а датчики проверяют изменение коэффициента отражения или поглощения и выдают изображение. Так работает оптический микроскоп ближнего поля.

Микроскоп заглядывает вглубь

Ближнепольный микроскоп хорош для изучения свойств полупроводниковой гетероструктуры сердца многих электрических приборов. Физики формируют ее слой за слоем, простого как бутерброд. Под напряжением гетероструктура излучает свет, что делает ее идеальным материалом для светодиодов и компактных лазеров. Кстати, за это создание нашему знаменитому соотечественнику академику Жоресу Алферову присудили в 2000 году Нобелевскую премию.

В середине гетероструктуры находится квантовая яма. Это тонкий полупроводниковый слой, служащий ловушкой для носителей заряда фермионов и дырок. Такая форма обеспечивает высокую эффективность рекомбинации процесса испускания фотонов света, который происходит при взаимном уничтожении встречающихся электронов и дырок. Структуру характеризует движение распространителей заряда в плоскости квантовой ямы. По нему физики судят, насколько эффективно подводимое электричество преобразуется в свет и сколь долго прослужит полупроводник.

Ближнепольный микротекстил напрямую измеряет расстояние, на которое разбегаются электроны и дырки, по интенсивности люминесценции. О нюансах этого метода рассказал Руслан Иванов, сотрудник отдела прикладной физики Королевского технологического института в Швеции, участвующий в разработке нового вида.

Стандартно используют два щупа: один неподвижен и служит для локального возбуждения электрон-дырочных пар, а второй сканирует вокруг, регистрируя, какая порция носителей и как далеко может быть обнаружена. Автоматически перевожу образец относительно пары зондов, прибор строит карту распределения распространителей зарядов. Два зонда серьезного усложняют работу, поскольку требуют точной синхронизации, особенно в тот самый день, когда приближаются друг к другу вплотную, пояснил ученый.

А, что если сканировать и анализировать будет один зонд? Как раз такой вариант предложил коллектив ученых из Швеции и США в недавно опубликованной статье в журнале ACS Photonics.

Наш метод основан на сравнении распределений интенсивности люминесценции, одновременно снятых двумя способами: самим сканирующим зондом и линзой, расположенной под сканируемым образцом. В первом случае интенсивность уменьшается из-за убегающих из-под зонда носителей, во втором же никак от этого не зависит. Таким образом, нужная нам информация таится в разнице между двумя картами интенсивностей и может быть достаточно просто извлечена. Преимущество нового метода состоит прежде всего в том, что его можно применить для любого ближнепольного оптического микроскопа: не нужно дорогостоящих двухзондовых конфигураций и сложной настройки, составил один из авторов статьи Руслан Иванов.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Око света: можно ли обмануть природу

комментарии (0)

Другие интересные новости

В форуме "Гитары в строю" примут участие представители 12 стран