Cientistas da Universidade ITMO usaram uma nanopartícula de ouro de silício agitada por um laser de pulso em banda IR como uma fonte eficaz de luz branca. Um desses "nanobulbos" foi integrado em um microscópio de sonda padrão, o que permitiu aos pesquisadores superar o limite de difração e examinar objetos com tamanhos de sub-onda. A nova tecnologia torna a microscopia de campo próximo mais barata e mais simples, e é potencialmente útil na medicina. O estudo foi publicado em Nano Letras .

Para examinar um objeto usando um microscópio óptico normal, a luz visual é focalizada usando lentes especiais. Contudo, se o objeto for menor que um comprimento de onda de tamanho, não pode ser observado em detalhes. Isso é o que chamamos de limite de difração. Existem várias tecnologias hoje capazes de superar esse limite. Em microscopia óptica de campo próximo, o campo eletromagnético do objeto é medido em campo próximo com uma sonda especial que pode interagir com o campo eletromagnético localizado e dispersá-lo na área onde pode ser registrado por detectores comuns. Mas para obter informações sobre um objeto com resolução de comprimento de onda em um amplo espectro, os pesquisadores costumam passar horas examinando em diferentes comprimentos de onda até cobrir todo o espectro.

Pesquisadores da ITMO University resolveram esse problema usando um chamado "nanobulbo, "uma fonte de luz em miniatura baseada em uma nanopartícula de ouro e silício. Sua principal característica é que ela emite luz em uma banda de comprimento de onda imensamente ampla, de 400 a 1, 000 nm. Um único nanobulbo pode registrar e analisar a resposta óptica de todos os tipos de nanoestruturas de comprimento de onda em todo o espectro visível ao mesmo tempo. Isso aumenta a eficiência e a velocidade da microscopia várias vezes.

Para criar o nanobulbo, cientistas do Departamento de Nanofotônica e Metamateriais imprimiram uma nanopartícula de ouro e silício. Para fazê-lo emitir fótons, os pesquisadores o acenderam com um laser infravermelho de femtossegundo. Os elétrons primeiro atingiram níveis de energia mais elevados, e, em seguida, deslizou em direção ao fundo da banda de condução de silício, emitindo fótons em diferentes comprimentos de onda.

"Silício, um semicondutor de gap não direto, é um material pobre para gerar emissões. Em outras palavras, se você acender com um laser, ele absorverá talvez um milhão de fótons e emitirá apenas um. Ainda, é muito barato - você pode literalmente fazer de areia. É por isso que a humanidade aspira encontrar tantas aplicações quanto possível para ele na energia fotovoltaica, microeletrônica e outros campos. Encontramos um aplicativo muito inesperado, usando sua principal desvantagem - seu intervalo de banda indireto - para criar uma fonte nanométrica de luz branca que pode emitir fótons de energia de 3,4 a 1,1 eV, "diz Sergei Makarov, Pesquisador associado sênior do Departamento de Nanofotônica e Metamateriais.

"Além disso, na fronteira do ouro e do silício, surgem interfaces que fornecem uma recombinação radiativa ainda melhor de elétrons. Muitos mecanismos físicos que ainda estamos para pesquisar estão em funcionamento aqui, então há muito trabalho teórico que teremos que fazer para melhorar nosso nanobulbo, incluindo a criação de um modelo de emitância, "diz Ivan Sinev, Ph.D. estudante da Universidade ITMO.

Ele observa que outra característica positiva do nanobulbo é que ele usa um laser de banda de infravermelho para gerar luz visível. Isso significa que "ruído" extra no sinal óptico pode ser removido por meio da filtragem da luz infravermelha dissipada, o que melhora a eficácia com a qual o sinal real é registrado.

Por sugestão de Anton Samusev, pesquisador associado da ITMO University, o nanobulbo foi colocado em uma sonda comum de um microscópio de força atômica usando um método desenvolvido por Ivan Mukhin e Filipp Komissarenko no Departamento de Nanofotônica e Metamateriais. A sonda permitiu que os pesquisadores trouxessem a fonte de luz visível para perto do material de teste, o que ampliou muito a interação dos campos próximos.

O sinal desta emissão é registrado e separado em um espectro usando um espectrômetro regular. Assim, um nanobulbo pode ser integrado em equipamento microscópico padrão. Ele pode ser conectado a qualquer sonda e usado para registrar seus sinais com fotodetectores regulares - enquanto recebe informações em um campo próximo de nanoobjetos em toda a banda do espectro visível. Assim, nanopartículas de ouro e silício podem tornar a microscopia mais flexível e barata.

“Também estamos desenvolvendo a ideia de usar o nanobulbo como um nanolaser. Se colocarmos essa partícula em um ressonador capaz de alterar o comprimento operacional da onda, podemos acabar com um laser sintonizável, um que pode funcionar em qualquer comprimento de onda definido no espectro visível. Adicionalmente, o nanobulbo também pode ser usado em biologia para fins como células de iluminação e detecção de substâncias que são sensíveis a comprimentos de onda específicos, "acrescenta Sinev.