O Prof. Dong Zhenchao e o Prof. Hou Jianguo da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) melhoraram a resolução espacial de 8 nm para ~ 8 Å de imagens fotoluminescentes. Isso realizou a resolução submolecular com imagens de fotofluorescência de molécula única pela primeira vez.

Este estudo foi publicado em Nature Photonics em 10 de agosto.

Alcançar a resolução atômica com luz sempre foi um dos objetivos principais da nano-óptica, e o advento da microscopia ótica de campo próximo (SNOM) despertou esperanças para esse objetivo.

O professor Dong e seus colegas demonstraram com sucesso a resolução espacial em escala sub-nanométrica em imagens de espectroscopia Raman de molécula única com efeito de aprimoramento local de um campo de plasmon de nanocavidade em um estudo em 2013.

Contudo, ao contrário do processo de espalhamento Raman, a fluorescência será extinta na vizinhança imediata de metais que impedem o desenvolvimento de resolução de SNOM em cerca de 10 nm.

As propriedades de radiação (fluorescência) das moléculas na nanocavidade de metal são diretamente afetadas pela densidade de fótons da nanocavidade, e a densidade de fótons da nanocavidade está intimamente relacionada à estrutura da ponta da sonda. Portanto, é fundamental modificar a estrutura da sonda e o estado eletrônico das moléculas na nanocavidade para evitar a extinção da fluorescência e obter imagens de fotofluorescência de alta resolução.

A equipe de Dong ajustou ainda mais a nanocavidade de plasmon, especialmente na fabricação e controle da estrutura de nível atômico da ponta da sonda. Eles construíram um ápice de ponta Ag com uma protrusão atomística e combinaram a ressonância de plasmon de nanocavidade com a energia efetiva do laser incidente e luminescência molecular.

Então, os pesquisadores usaram uma camada dielétrica ultrafina (NaCl com três átomos de espessura) para isolar a transferência de carga entre as moléculas de nanocavidade e o substrato de metal, alcançar resolução sub-nanométrica da imagem de fotoluminescência de molécula única.

Eles descobriram que com a sonda se aproximando da molécula, mesmo que a distância seja inferior a 1 nm, a intensidade da fotoluminescência continua aumentando monotonamente. E a extinção da fluorescência desaparece completamente.

Simulações teóricas mostraram que quando a ponta de protusão atomística e o substrato de metal formam uma nanocavidade de plasmon, a resposta de ressonância do plasmon de nanocavidade e o efeito de pára-raios da estrutura de protrusão atomística teriam um efeito sinérgico. O efeito sinérgico gera um campo eletromagnético forte e altamente localizado, comprimindo o volume do modo de cavidade abaixo de 1 nm ³ , o que aumenta muito a densidade de estados de fótons localizados e a taxa de decaimento da radiação molecular. Esses efeitos não apenas inibem a extinção da fluorescência, mas também realizar imagens fotoluminescentes com resolução sub-nanométrica.

Para alcançar resolução espacial sub-nanométrica, o tamanho da ponta e a distância entre a ponta e a amostra devem estar na escala sub-nanométrica.

Os pesquisadores realizaram ainda imagens hiperespectrais de fotoluminescência resolvidas sub-molecularmente com informações espectrais, e demonstraram os efeitos da interação plasmon-exciton local na intensidade de fluorescência, posição do pico e largura do pico na escala sub-nanométrica.

Esta pesquisa atingiu o tão esperado objetivo de usar a luz para analisar a estrutura interna das moléculas no SNOM, e forneceu um novo método técnico para detectar e modular o ambiente localizado de moléculas e interações luz-matéria em escala sub-nanométrica.

Os revisores de Nature Photonics dizem que este artigo será um artigo importante em seu campo, que tem um significado orientador para a realização de pesquisas de microscopia espectroscópica ultrassensível com luz em escala atômica.