МOСКВA, 12 дeк — РИA Нoвoсти. С изoбрeтeниeм oптичeскoгo микрoскoпa люди, мoжнo скaзaть, прoзрeли — кaк oкaзaлoсь, oт нaшиx глaз скрытo мнoжeствo удивитeльныx вeщeй. Нeбoльшoй, прoстoй в испoльзoвaнии прибoр oтличнo прижился в нaучныx лaбoрaтoрияx. A цeлый ряд усoвeршeнствoвaний рaсширил вoзмoжнoсти «нaучнoй лoшaдки», пoзвoлив зaглянуть с ее помощью за пределы видимого и даже под поверхность.© Greg Stone/Penn StateФизики протестировали микроскоп, способный видеть объекты меньше атома
Работает оптический микроскоп так: свет встроенной в него лампы падает на объект, помещенный на предметный столик, и отражается в объектив, который собирает часть расходящихся 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 объект под увеличением.
Но каким бы оно ни было, обычный микроскоп не даст изображение больше, чем его разрешающая способность — главная характеристика любого оптического прибора. Она означает расстояние между двумя точками, которые можно с его помощью различить. К примеру, невооруженный глаз в лучшем случае видит объекты, находящиеся в 0,2 миллиметра друг от друга, а самый хороший оптический микроскоп — в 200-250 нанометров.
За пределами видимого
Разрешающая способность оптического 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.© Fotolia / Photokanok_1984Российские ученые создали микроскоп, «видящий» объект и снаружи, и внутри
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 видимого света, и на такое же расстояние приблизить предметный столик. Свет падает на объект, как-то с ним взаимодействует: отражается от его 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 пучок сканирует поверхность, например, змейкой, а датчики анализируют изменение коэффициента отражения или поглощения и выдают изображение. Так работает оптический микроскоп ближнего поля.
© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаСхема работы ближнепольного оптического микроскопа© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаСхема работы ближнепольного оптического микроскопа
Микроскоп заглядывает вглубь
Ближнепольный микроскоп хорош для изучения свойств полупроводниковой гетероструктуры — сердца многих электронных приборов. Физики формируют ее слой за слоем, буквально как бутерброд. Под напряжением гетероструктура излучает свет, что делает ее идеальным материалом для светодиодов и компактных лазеров. Кстати, за это открытие нашему знаменитому соотечественнику академику Жоресу Алферову присудили в 2000 году Нобелевскую премию.
© РИА Новости / Владимир ФедоренкоПерейти в фотобанкНобелевский лауреат Жорес Алферов в рабочем кабинете в Государственной думе © РИА Новости / Владимир ФедоренкоПерейти в фотобанкНобелевский лауреат Жорес Алферов в рабочем кабинете в Государственной думе
В середине гетероструктуры находится «квантовая яма». Это тонкий полупроводниковый слой, служащий ловушкой для носителей заряда — электронов и дырок. Такая конфигурация обеспечивает высокую эффективность рекомбинации — процесса испускания фотонов света, который происходит при взаимном уничтожении встречающихся электронов и дырок. Структуру характеризует движение носителей заряда в плоскости «квантовой ямы». По нему физики судят, насколько эффективно подводимое электричество преобразуется в свет и сколь долго прослужит полупроводник.
© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаПример гетероструктуры светодиода© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаПример гетероструктуры светодиода
Ближнепольный микроскоп напрямую измеряет расстояние, на которое разбегаются электроны и дырки, по интенсивности люминесценции. О нюансах этого метода РИА Новости рассказал Руслан Иванов, сотрудник отдела прикладной физики Королевского технологического института в Швеции, участвующий в разработке нового метода.
«Стандартно используют два зонда: 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 перемещая образец относительно пары зондов, прибор строит карту распределения носителей зарядов. Два зонда сильно усложняют работу, поскольку требуют точной синхронизации, особенно 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», — заключил один из авторов статьи Руслан Иванов.
