Когда-то казалось, что существование дифракционного предела раз и навсегда ограничивает возможности оптической микроскопии. Это заблуждение уже давно преодолено, и теперь вопрос в значительной степени стоит в совершенствовании характеристик оптических микроскопов, работающих со сверхвысоким разрешением.

Ученые давно уже не ограничивают свой исследовательский инструментарий видимым диапазоном электромагнитных волн - рентгеновская микроскопия, голография в рентгеновском и гамма-диапазоне , электронная микроскопия и т.д. позволяют получать изображения объектов с нанометровым и даже атомным разрешением. Однако не всегда удобно работать с коротковолновым излучением, а в некоторых приложениях требуется использовать именно излучение оптического диапазона.

В начале 80-х годов прошлого века был придуман способ получить пространственное разрешение порядка нескольких десятков нанометров, работая со светом видимого диапазона, - речь идет об оптической ближнепольной микроскопии. Столь необычно высокое разрешение достигается за счет того, что стандартная оптическая микроскопия предполагает регистрацию распространяющегося на большие расстояния электромагнитного поля ("дальнего поля" ), а ближнепольная - электромагнитного поля, экспоненциально затухающего по мере увеличения расстояния от излучающего объекта (так называемого "ближнего поля"). По своему исполнению стандартный оптический ближнепольный микроскоп напоминает сканирующий туннельный микроскоп , только в качестве зонда используется заостренное оптоволокно, покрытое с боков металлической пленкой. Диаметр выходного отверстия может быть много меньше длины волны, а сам зонд должен располагаться в непосредственной близости от поверхности исследуемого образца - чтобы имелась возможность регистрации ближнего поля. Существует несколько разновидностей ближнепольных микроскопов, в некоторых из них и оптическое возбуждение образца, и регистрация сигнала происходят через оптоволокно, в других возбуждение может происходить стандартным образом (лазерное излучение фокусируется в нужном месте с помощью обычной оптики), а регистрация люминесценции происходит через оптоволокно (такая схема применялась в описываемом ниже случае).

Наиболее перспективными с точки зрения получения максимального разрешения являются не "классические" апертурные (покрытое металлической пленкой оптоволокно) варианты ближнепольного оптического микроскопа, а безапертурные (когда заостренный зонд не покрыт металлом) ближнепольные микроскопы - теоретически они позволяют примерно на порядок большее пространственное разрешение, которое определяется только характерным размером острия зонда. Соответственно, в то время как стандартные оптические ближнепольные микроскопы дают разрешение порядка 30 - 50 нм (см., например, нашу новость "увидеть волновую функцию и не умереть" ), безапертурный вариант может позволить получить разрешения порядка нескольких нанометров.

Однако, несмотря на теоретические предсказания, в реальности разрешение, получаемое с помощью безапертурного микроскопа до недавнего времени лишь незначительно превышало разрешение, достижимое с помощью стандартных вариантов ближнепольного микроскопа. И вот недавно ученым из Калифорнийского технологического института удалось экспериментально продемонстрировать работу безапертуного ближнепольного микроскопа с пространственным разрешением лучше 10 нм [1].

Их инструмент мог работать как в качестве оптического ближнепольного микроскопа, так и в качестве атомно-силового микроскопа. Работа прибора в режиме атомно-силового микроскопа позволяет точно определить расстояние конца зонда от поверхности (с точностью порядка 0.1 A). Более высокую чувствительность и повышенное пространственное разрешение ученые смогли получить, заставляя зонд осциллировать вблизи исследуемой поверхности (максимальное удаление от поверхности составляло 30 - 40 нм, минимальное - доли нанометра) - это позволяло выделять модулированный ближнепольный сигнал (при том, что интенсивность регистрируемого излучения при малом расстоянии зонда от поверхности резко возрастала).

Рис.1. a - сигнал, зарегистрированный в режиме ближнепольного оптического микроскопа; b - сигнал, зарегистрированный в режиме атомно-силового микроскопа.

Исследовались различные нанообъекты, нанесенные на поверхность стекла, в том числе и квантовые точки CdSe/ZnS с диаметром порядка 6 нм. В последнем случае было показано, что оптический ближнепольный микроскоп работает с разрешением не хуже 10 нм (см. рис.1a), что даже лучше, чем при работе прибора в режиме атомно-силового микроскопа (рис. 1b). Это в 3 раза лучше, чем ранее было достигнуто при работе в режиме регистрации отдельных фотонов (как и в описываемых экспериментах), и в 2 раза лучше, чем при регистрации двухфотонной люминесценции.

Естественно, достигнутое разрешение - еще не предел, "глаза" ученых будут становятся все более зоркими и дальше.

1. Jordan M. Gerton, Lawrenxe A. Wade, Guillaume A. Lessard, Z. Ma, and Stephen R. Quake. Phys.Rev.Lett, v.93, 180801 (2004).

Е.Онищенко