Физики КФУ совместно с коллегами из Казахстана и Великобритании предложили новый способ оптической визуализации нанообъектов

Это  ноу-хау позволит увидеть  невооруженным глазом объекты наномира, размеры которых меньше длины волны света.

Разработка  международной группы ученых, статья о ней опубликована в журнале Nanoscale , будет способствовать развитию высокоразрешающих оптических методов, которые  открывают уникальные возможности для проведения исследований в области материаловедения, биологии и медицины. Сегодня эти технологии достигают пространственного разрешения, сопоставимого с разрешением электронной микроскопии.

«Главным преимуществом оптической микроскопии является неразрушающая химическая диагностика одиночных молекул при использовании непрерывного лазерного света малой интенсивности, – отмечает руководитель лаборатории «Нанооптика» Института физики Казанского федерального университета, доктор физико-математических  наук Сергей Харинцев. – В отличие от электронной микроскопии появляется возможность 3D визуализации и спектрального анализа внутренней структуры нанообъектов, а также изучения процессов, протекающих в живой клетке».

Существующие сегодня оптические методы сверхвысокого разрешения, позволяющие преодолеть дифракционный предел (он примерно равен l/2, где l – длина волны света), можно условно разделить, отмечает ученый, на два класса: 1) зондовые оптические методы (TERS – локально-усиленная спектроскопия комбинационного рассеяния света, SNOM – ближнеполевая оптическая микроскопия, nano-IR – спектроскопия локального поглощения света) и 2) методы флюоресцентной микроскопии (SIM – микроскопия структурированного освещения, STED – микроскопия на основе тушения вынужденным излучением, PALM – фотоактивируемая локализационная микроcкопия и STORM – микроскопия стохастической оптической реконструкции). Первый класс активно используется для изучения объектов неживой природы – одиночных молекул, квантовых точек, квантовых нитей и т.д.  В этих технологиях используется оптическая наноантенна, которая позволяет локализовать падающий свет до нескольких долей нанометра. Оптическое сверхразрешение l/1000 (меньше 1 нм!) достигается благодаря локализации света и сканированию наноантенны над поверхностью образца. 3D визуализация внутренней структуры, например, биологической клетки, может быть реализована путем последовательного срезания ее тонких слоев прецизионным ультрамикротомом и применения TERS микроскопии.

По словам  С.Харинцева, в биологии и медицине наибольшую популярность получили методы флюоресцентной микроскопии. В этом классе сверхвысокое разрешение достигается за счет пространственного и/или временного модулирования перехода флюорофора из одного энергетического состояния в другое. Главным недостатком этого метода является необходимость использования флюоресцирующих меток, которые должны быть фотостабильными и нетоксичными. Кроме того, использование методов флюоресцентной микроскопии ограничивается трудностями пробоподготовки и дороговизны флюорофоров.

В настоящее время продолжается активный поиск альтернативных методов для реализации оптического сверхразрешения.

Одним из таких решений является, отмечают авторы научной статьи, плоская суперлинза, предложенная Джоном Пендри (Имперский колледж Лондона, Великобритания) в 2000 году. Она представляет собой сэндвич, состоящий из металлической пленки между двумя диэлектрическими слоями. Сверхразрешение связано с усилением оптического ближнего поля благодаря возбуждению плазмонного резонанса. Теоретически для суперлинзы не существует какого-либо ограничивающего предела. Однако практическая реализация суперлинзы оказалась бесперспективной из-за ее одномодового режима. Ситуацию удалось изменить благодаря пионерским работам Владимира Шалаева (Университет Пердью, США), который предложил использовать вместо металла нано-композитную пленку металл-диэлектрик. Такой подход позволил настраивать линзу в широком частотном диапазоне, но она по-прежнему оставалась одномодовой.

 

На рисунке: Схематичная иллюстрация (А) одномодовой суперлинзы, (Б) настраиваемой одномодовой линзы и (В) настраиваемой многомодовой суперлинзы.

«Нами была предложена идея использовать перколяционную наноструктурированную пленку метал-диэлектрик с вырожденной диэлектрической проницаемостью, – рассказывает Сергей Харинцев. – В качестве такого материала мы использовали оксинитрид титана (TiON), впервые синтезированного в 2017 году в группе Андрея Михая (Имперский колледж Лондона, Великобритания). Такая суперлинза обеспечивает сверхвысокое пространственное разрешение благодаря вынужденному комбинационному рассеянию света. В итоге нам удалось достичь разрешения 8 нм (или l/80) и 80 нм (или l/8) в ближнем и дальнем поле. Важно подчеркнуть, что оптическое изображение формируется с помощью стандартного объектива без использования оптических наноантенн, модуляции лазерных пучков или флюоресцирующих меток».

Физики КФУ осуществляли работу в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование ультратонких магнитных гетероструктур, имеющих потенциал в спинтронных и оптронных приложениях», руководителем которого является профессор Института физики КФУ Ленар Тагиров. По результатам исследования один из авторов вышеупомянутой статьи  аспирант КФУ Антон Харитонов (на верхнем фото слева) под руководством Сергея Харинцева (на верхнем фото справа)подготовил к защите кандидатскую диссертацию.

На рисунке: спонтанное и вынужденное комбинационное рассеяние света квадратной наноантенны из оксинитрида титана.