Topologisch strukturiertes Licht erkennt die Position von Nanoobjekten mit atomarer Auflösung

Optische Bildgebungs- und Messtechniken sind wichtige Werkzeuge für die Forschung in der Biologie, Medizin und Nanotechnologie. Obwohl diese Techniken in letzter Zeit immer weiter fortgeschritten sind, sind die damit erzielten Auflösungen immer noch deutlich geringer als die, die mit Methoden erreicht werden, die fokussierte Elektronenstrahlen verwenden, wie etwa Transmissionselektronenspektroskopie auf atomarer Ebene und Kryo-Elektronentomographie.

Forscher der University of Southampton und der Nanyang Technological University haben kürzlich einen nicht-invasiven Ansatz für optische Messungen mit atomarer Auflösung eingeführt. Ihr vorgeschlagener Ansatz, beschrieben in Naturmaterialienkönnte aufregende neue Möglichkeiten für die Forschung in verschiedenen Bereichen eröffnen und es Wissenschaftlern ermöglichen, Systeme oder Phänomene im Maßstab eines Bruchteils eines Milliardstel Meters zu charakterisieren.

„Seit dem 19. Jahrhundert sind Verbesserungen der räumlichen Auflösung der Mikroskopie ein wichtiger Trend in der Wissenschaft, der mit mindestens sieben Nobelpreisen ausgezeichnet wurde“, sagte Nicolay I. Zheludev, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Unser Traum war es, eine Technologie zu entwickeln, die Ereignisse auf atomarer Ebene mit Licht erkennen kann, und wir haben in den letzten drei Jahren daran gearbeitet.“

In ihren Experimenten demonstrierten Zheludev und seine Kollegen die Metrologie auf atomarer Ebene, indem sie Einzelbilder des Beugungsmusters von topologisch strukturiertem Licht mit einer Wellenlänge von λ = 488 nm sammelten, das an einem schwebenden Nanodraht mit einer Länge von 17 μm und einer Länge von 200 nm gestreut wurde -wide, um seine Position relativ zu den festen Kanten der Probe zu bestimmen.

Anschließend trainierten die Forscher einen Deep-Learning-Algorithmus anhand eines Datensatzes aus Einzelbildern von Streumustern, die auftraten, als der Nanodraht an 301 verschiedenen Positionen platziert wurde. Nach dem Training könnte dieser Algorithmus die Positionen eines bestimmten Nanodrahts basierend auf dem vom Sensor des Teams aufgezeichneten Streulichtmuster vorhersagen.

„Die Hauptidee unseres Ansatzes besteht darin, komplexes Licht zu verwenden, das in einem sehr feinen Maßstab strukturiert ist, wobei das superoszillatorische Licht Singularitäten enthält“, erklärte Zheludev. „Wenn sich ein Subwellenlängenobjekt in einem solchen Feld bewegt, reagiert das Streumuster des Lichts auf dem Objekt sehr empfindlich auf die Form und Position des Objekts. Wir verwenden eine Form der künstlichen Intelligenz, eine Deep-Learning-Analyse der Streulichtintensität.“ Profil, um die Position des Objekts zu rekonstruieren.

In den Proof-of-Principle-Experimenten des Teams schnitt die optische Lokalisierungsmessmethode bemerkenswert gut ab und löste die Position des schwebenden Nanodrahts mit einer subatomaren Genauigkeit von 92 Uhr (d. h. etwa λ/5.300) auf, während der Nanodraht natürlich thermisch mit der Amplitude oszillierte von ca. 150 Uhr. Als Referenz: Ein Siliziumatom hat einen Durchmesser von 220 μm.

„Unsere wichtigste Errungenschaft bestand darin, eine Auflösung auf atomarer Ebene bei der Positionsbestimmung von Nanoobjekten mit Licht zu erreichen“, sagte Zheludev. „Wir haben eine Auflösung erreicht, die tausendmal besser ist als die, die herkömmliche Mikroskope bieten können. Unsere Arbeit eröffnet das Gebiet der Pikophotonik, der Wissenschaft der Licht-Materie-Wechselwirkungen auf der Pikometerskala.“

In ihrer aktuellen Studie zeigten Zheludev und seine Kollegen das Potenzial der optischen Messtechnik mit topologisch strukturiertem Licht, um Messungen auf atomarer Ebene zu sammeln. In Zukunft könnte der in ihrer Arbeit vorgestellte Ansatz von anderen Forschungsteams weltweit genutzt werden, um subtile Phänomene detaillierter und auf nicht-invasive Weise mithilfe von Licht zu untersuchen.

„Wir arbeiten derzeit daran, Pikometerbewegungen mit einer hohen Bildrate zu erkennen, damit wir ein Video drehen können, das die reale Dynamik der Brownschen Bewegung eines nanoskaligen Objekts zeigt“, fügte Zheludev hinzu.

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