موضوع خبر : تجهیزات

عنوان خبر : امکان تصویربرداری نانومتری با قدرت تفکیک زمانی «فمتوثانیه» فراهم شد

تاریخ : 1395/04/14تعداد بازدید : 1981

بیشینه مقدار قدرت تفکیک در ادوات تصویربرداری رایج، محدود به طول موج نور است به طوری که امکان افزایش قدرت تفکیک بیشتر از نصف طول موج نور تابیده شده، امکان‌پذیر نیست. به این اثر، محدودیت پراش گفته می‌شود که در سال 1873 توسط ارنست ابه مطرح شد. بنابراین، عجیب نیست که تصویربرداری از مولکول‌های منفرد 130 سال بعد انجام شد زمانی که فناوری توانست پا را از مرز محدودیت پراش فراتر بگذارد، چیزی که جایزه نوبل را برای مخترع آن به ارمغان آورد.

اما هدف نهایی محققان تنها تصویربرداری نانومقیاس از مواد نیست بلکه آنها به دنبال قدرت تفکیک زمانی فمتوثانیه‌ای نیز هستند. چنین قدرت تفکیکی به محققان اجازه وارد شدن به دنیای مکانیک کوانتوم را می‌دهد و آنها را قادر می‌سازد تا درباره مسائلی نظیر شکستن پیوندهای شیمیایی تحقیق کنند. مارکوس راشک و همکارانش از دانشگاه کلرادو اخیرا مقاله‌ای در نشریه Nature Nanotechnology منتشر کردند که در آن نشان دادند چگونه می‌توان قدرت تفکیک نانومتری میکروسکوپ میدان نزدیک را با قدرت تفکیک فمتوثانیه‌ای طیف‌سنجی پیمایش پمپی ترکیب کرد. این گروه تحقیقاتی با استفاده از این روش موفق شدند قدرت تفکیک کمتر از 50 نانومتر را هم‌زمان با قدرت تفکیک زمانی کمتر از 5 فمتوثانیه داشته باشند.

تصویربرداری پدیده‌های کوانتومی در محدوده نانو-فمتو، هدف بسیاری از فیزیک‌دانان و شیمی‌دانان در سراسر جهان بوده است. روش‌هایی که تاکنون استفاده شده مزایا و معایب خاص خود را داشته است. برای مثال، روش نوری میدان دور می‌تواند قدرت تفکیک کمتر از as 100 داشته باشد که این قدرت تفکیک نیز به زمان تابش پالس لیزر محدود است. میکروسکوپ الکترونی می‌تواند به قدرت تفکیک در مقیاس اتمی برسد اما منابع تولید الکترون رایج قادر به تامین قدرت تفکیک زمانی مناسب نیستند که این مشکل را می‌توان با پالس‌های لیزر فمتوثانیه حل کرد به این شکل که از این پالس‌ها برای انجام واکنش و از پالس‌های الکترونی بسیار سریع برای مشاهده فرآیند استفاده کرد. با تمام این ترفندها قدرت تفکیک زمانی را می‌توان به 300 فمتوثانیه رساند.

راهبرد دیگر، استفاده از پالس پیمایشی پمپی فمتوثانیه‌ای است که امکان تصویربرداری از سطوح نانوساختار با قدرت تفکیک زمانی که به زمان تابش پالس لیزر وابسته است، را فراهم می‌کند. قدرت تفکیک در این روش به زیر 10 نانومتر می‌رسد که تنها الکترون‌های کم انرژی هستند که می‌توانند محدودیت تصویربرداری برای این روش ایجاد کنند.

از آنجایی که قدرت تفکیک زمانی و مکانی میکروسکوپ نشر فوتون بسیار سریع، در حد بالایی قرار دارد بنابراین، ابزاری مناسب برای تصویربرداری از نوسانات، تداخل‌ها و نشر پلاسمون‌های سطحی است. هر چند میکروسکوپ‌های با سرعت بالا که مبتنی بر الکترون هستند نیاز به خلاء دارند که هم هزینه‌بر و هم نیازمند تجهیزات ویژه است.

در این روش جدید که راشک و همکارانش ارائه کردند در تمام مراحل از نور (به جای الکترون) و میکروسکوپ نوری میدان نزدیک استفاده شده‌است. میکروسکوپ نوری میدان نزدیک با استفاده از تقویت میدان‌های الکترومغناطیس با استفاده از تهییج رزونانس پلاسمون سطحی در نوک فلزی، به این قدرت تفکیک دست پیدا می‌کنند. نوک می‌تواند سطح را روبش کرده و تصویر ایجاد کند. مقدار پراش نوری ایجاد شده در این روش، با استفاده از نوک و مورفولوژی سطح تعیین ‌می‌شود. این گروه تحقیقاتی از یک ترفند با کارایی بالا برای بهبود کار استفاده کردند. به جای این که پلاسمون‌ها به‌صورت مستقیم با استفاده از نوک و نمونه تحریک شوند، نور میدان نزدیک روی نوک میکروسکوپ تابیده شده و یک موج پلاسمون سطحی در نوک را پدید می‌آورند که می‌تواند با نمونه برهم‌کنش دهد. با پخش شدن پلاسمون و افزایش شدت آن، مقدار این پلاسمون در نوک به بیشینه مقدار خود می‌رسد که به این پدیده فوکوس آدیاباتیک گفته می‌شود. از آنجایی که میان این سیگنال و میدان الکتریکی رابطه غیرخطی وجود دارد بنابراین، شدت پلاسمون‌ها در سطح را می‌توان به شدت افزایش داد. در تصویر زیر بخش a و b این رابطه نشان داده شده‌است، دو فوتون با فرکانس مرکزی w1 و یک فوتون با فرکانس کمتر w2 ترکیب شده و فوتون چهارم w3 را تولید می‌کنند. این گروه تحقیقاتی اجزاء طیف لیزر را فیلتر کرده و تنها پرتوهایی با فرکانس w3 را باقی نگه داشتند. آنها برای این که به قدرت تفکیک 10 فمتوثانیه برسند اثرات پخش شدن پالس‌ها را با اصلاح شکل فاز طیف پالس لیزر جبران کردند.

با روبش سطح توسط نوک میکروسکوپ، نقشه‌ توپوگرافی از سطح به‌دست می‌آید. نرخ دفاز کردن سطح بستگی به مورفولوژی سطح دارد. از این روش می‌توان برای تصویربرداری به‌منظور بررسی دینامیک متمرکز برانگیختگی و لرزش در نمونه‌هایی نظیر مولکول‌های منفرد استفاده کرد. برهم‌کنش میان این تک مولکول‌ها با محیط جامد و مایع، جفت اگزایتون‌ها، پلاسمون‌ها در نیمه‌هادی‌ها و نانوذرات فلزی از جمله کاربردهای این نوع تصویربرداری است. همچنین امکان ترسیم نقشه زمانی و مکانی از جفت شدن کوانتومی لرزش‌ در نمونه‌های نانومقیاس با استفاده از این روش وجود دارد. این روش می‌تواند فیلمی واقعی از جریان برانگیختگی نوسانات کوانتومی در سیستم‌های پیچیده نظیر آنچه که در سیستم‌های فتوسنتر و محاسبات کوانتومی رخ می‌دهد، ارائه کند.