Г-н Ченг-Хунг Чи, аспирант Университета Саутгемптона, использует суперколебательный свет для определения положения нанопровода с атомарным разрешением.
Предоставлено: Университет Саутгемптона.

Методы оптической визуализации и метрологии являются ключевыми инструментами для исследований, основанных на биологии, медицине и нанотехнологиях. Хотя эти методы в последнее время становятся все более совершенными, достигаемое ими разрешение все еще значительно ниже, чем у методов, использующих сфокусированные пучки электронов, таких как спектроскопия просвечивающих электронов атомного масштаба и криоэлектронная томография.

Исследователи из Университета Саутгемптона и Технологического университета Наньян недавно представили неинвазивный подход к оптическим измерениям с разрешением атомного масштаба. Предлагаемый ими подход, изложенный в Nature Materials, может открыть новые захватывающие возможности для исследований в различных областях, позволяя ученым характеризовать системы или явления в масштабе доли миллиардной доли метра.

«С девятнадцатого века улучшение пространственного разрешения микроскопии было основным направлением в науке, отмеченным как минимум семью Нобелевскими премиями», — рассказал Phys.org Николай И. Желудев, один из исследователей. «Нашей мечтой было разработать технологию, которая может обнаруживать события атомного масштаба с помощью света, и мы работали над этим последние три года».

В своих экспериментах Желудев и его коллеги продемонстрировали метрологию атомного масштаба, собрав одиночные изображения дифракционной картины топологически структурированного света с длиной волны λ = 488 нм, рассеянного на подвешенной нанопроволоке длиной 17 мкм и толщиной 200 нм. -широкий, для определения его положения относительно закрепленных краев образца.

Затем исследователи обучили алгоритм глубокого обучения на наборе данных однократных изображений моделей рассеяния, которые произошли, когда нанопроволока была помещена в 301 различное положение. После обучения этот алгоритм мог предсказать положение данной нанопроволоки на основе картины рассеянного света, зарегистрированной датчиком команды.

«Основная идея нашего подхода — использовать сложный свет, структурированный в очень мелком масштабе, суперколебательный свет, содержащий сингулярности», — пояснил Желудев. «Если субволновой объект движется в таком поле, картина рассеяния света на объекте очень чувствительна к форме и положению объекта. Мы используем искусственный интеллект, анализ глубокого обучения интенсивности рассеянного света для восстановления положения объекта».

В экспериментальных экспериментах группы, их метод метрологии оптической локализации показал себя замечательно хорошо, определяя положение подвешенной нанопроволоки с субатомной точностью 92 пм, около 150 часов. Для справки, атом кремния имеет диаметр 220 мкм.

«Нашим самым важным достижением было достижение атомного разрешения в определении положения нанообъектов с помощью света», — сказал Желудев. «Мы достигли разрешения, которое в тысячи раз лучше, чем могут предложить обычные микроскопы. Наша работа открывает область пикофотоники, науки о взаимодействии света и вещества в пикометрическом масштабе».

В своем недавнем исследовании Желудев и его коллеги продемонстрировали потенциал использования оптической метрологии с топологически структурированным светом для сбора измерений в атомном масштабе. В будущем подход, представленный в их статье, может быть использован другими исследовательскими группами по всему миру для более подробного изучения тонких явлений и неинвазивными способами с использованием света.

«Сейчас мы работаем над детектированием пикометрических движений с высокой частотой кадров, чтобы мы могли снимать видео, демонстрирующее реальную динамику броуновского движения наноразмерного объекта», — добавил Желудев.