Para obter insights ainda mais profundos sobre o menor dos mundos, os limites da microscopia devem ser expandidos ainda mais. Cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e do TU Dresden, em cooperação com a Freie Universität Berlin, conseguiram combinar duas técnicas de medição estabelecidas pela primeira vez:microscopia ótica de campo próximo e espectroscopia ultrarrápida. A tecnologia assistida por computador desenvolvida especialmente para este fim combina as vantagens de ambos os métodos e suprime ruídos indesejados. Isso torna possível a filmagem altamente precisa de processos dinâmicos em escala nanométrica. Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Relatórios Científicos .

Muitos processos importantes, mas complexos nas ciências naturais e da vida, por exemplo, fotossíntese ou supercondutividade de alta temperatura, ainda não foram compreendidos. Por um lado, isso se deve ao fato de que tais processos ocorrem na escala de um milionésimo de milímetro (nanômetro) e, portanto, não podem ser observados por imagens microscópicas ópticas convencionais. Por outro lado, os pesquisadores devem ser capazes de observar com precisão mudanças muito rápidas em estágios individuais para compreender melhor a dinâmica altamente complexa. O desenvolvimento de tecnologias temporais e espaciais de alta resolução tem, portanto, sido promovido há décadas.

A nova câmera de Dresden combina as vantagens de dois mundos:microscopia e espectroscopia ultrarrápida. Ele permite medições ópticas inalteradas de extremamente pequenas, mudanças dinâmicas no biológico, processos químicos ou físicos. O instrumento é compacto em tamanho e pode ser usado para estudos espectroscópicos em uma grande área do espectro eletromagnético. Incrementos de tempo de alguns quatrilionésimos de segundo (femtossegundos) até a segunda faixa podem ser selecionados para imagens individuais. "Isso torna nosso nanoscópio adequado para a visualização de processos físicos ultrarrápidos, bem como para processos biológicos, que costumam ser muito lentos, "diz o Dr. Michael Gensch do HZDR.

A combinação de dois métodos garante alta resolução espacial e temporal

O nanoscópio é baseado no desenvolvimento da microscopia de campo próximo, em que a luz do laser é irradiada em uma ponta de metal ultrafina. Isso cria uma luz altamente agrupada - cem vezes menor que o comprimento de onda da luz, que de outra forma representa o limite da ótica "normal" com lentes e espelhos. "Em princípio, podemos usar todo o espectro de comprimento de onda da microscopia de campo próximo, do ultravioleta ao intervalo terahertz, "diz a Dra. Susanne Kehr da TU Dresden." A luz focada fornece energia para a amostra, criando uma interação especial entre o ponto e a amostra no que é conhecido como campo próximo. Ao observar a porção retroespalhada da luz laser, pode-se alcançar uma resolução espacial na ordem da magnitude do campo próximo, isso é, na faixa nanométrica. "Esta tecnologia, conhecido como SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy), é normalmente utilizado apenas para condições estáticas de geração de imagens.

Usar espectroscopia ultrarrápida é a ferramenta crucial, por outro lado, permitindo aos cientistas estudar processos dinâmicos em escalas de tempo curtas e com extrema sensibilidade. A resolução espacial tem, até agora, foi limitado à faixa do micrômetro, no entanto. O princípio em tais experimentos de bomba-sonda que funcionam, por exemplo, com luz, pulsos de pressão ou campo elétrico é o seguinte:enquanto um primeiro pulso excita a amostra em estudo, um segundo pulso monitora a mudança na amostra. Se o tempo entre eles for variado, instantâneos podem ser tirados em momentos diferentes, e um filme pode ser montado. Uma correção inteligente dos erros de medição leva à alta sensibilidade do procedimento espectroscópico. A ativação por um pulso de excitação significa um tipo de perturbação para todo o sistema de amostra, que precisa ser filtrado para que o ruído ou o "fundo" sejam eliminados. Isso é obtido sondando a amostra não perturbada com um segundo pulso de referência diretamente antes da excitação. Esta tecnologia em particular não poderia ser combinada com a microscopia óptica de campo próximo até agora. Pela primeira vez, as equipes lideradas pelos dois físicos de Dresden conseguiram combinar todas as vantagens de ambos os métodos em seu nanoscópio.

"Desenvolvemos um software com uma tecnologia de demodulação especial com a qual - além da excelente resolução da microscopia óptica de campo próximo que é pelo menos três ordens de magnitude melhor do que a resolução da espectroscopia ultrarrápida comum - podemos agora também medir dinâmicas mudanças na amostra com alta sensibilidade, "explica Kehr. O método eletrônico inteligente permite ao nanoscópio registrar exclusivamente apenas as mudanças que realmente ocorrem nas propriedades da amostra devido à excitação. Embora outros grupos de pesquisa tenham relatado apenas recentemente uma boa resolução temporal com seus nanoscópios, eles não poderiam, Contudo, obter este importante modo de correção. Uma vantagem adicional da solução Dresden é que ela pode ser facilmente integrada aos microscópios de campo próximo existentes.

Universal em todos os aspectos

"Com a cobertura de comprimento de onda considerável do nosso nanoscópio, processos dinâmicos podem ser estudados com os comprimentos de onda mais adequados para o processo específico em estudo. Esta é uma etapa importante para a compreensão desses processos. Nossos colegas da Freie Universität Berlin têm, por exemplo, o sonho ambicioso de rastrear mudanças estruturais durante o fotociclo de uma proteína de membrana individual em comprimentos de onda específicos no espectro infravermelho, "Gensch diz. Junto com seu colega TU, Susanne Kehr, ele demonstrou o novo método em um sistema de amostra conhecido, uma camada semicondutora de silício e germânio. "Se tivéssemos usado uma amostra desconhecida para a demonstração, não estaríamos em posição de interpretar corretamente a funcionalidade de nossa abordagem, "Kehr enfatiza.

O nanoscópio de Dresden é universalmente adaptável às respectivas questões científicas. Os comprimentos de onda do pulso da sonda podem, em princípio, alcance da faixa de baixo terahertz à faixa ultravioleta. A amostra pode ser estimulada com laser, pressão, campo elétrico ou pulsos de campo magnético. O princípio foi testado no HZDR em um laser de laboratório típico, bem como no laser de elétrons livres FELBE. Primeiros testes na nova fonte de terahertz TELBE, que fornece pulsos de campo elétrico e magnético extremamente curtos para excitação, estão em preparação. "No futuro, não veremos apenas a rapidez com que ocorre um processo, mas também podemos localizar melhor onde exatamente isso ocorre na amostra. Isso é especialmente importante para nossa instalação TELBE, que estará em operação no próximo ano, "explica Michael Gensch, chefe do projeto TELBE no HZDR.