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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Microscopio su plasmoni di superficie. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Di solito è impossibile osservare oggetti di spessore angstrom usando la luce visibile. Tuttavia, esiste un microscopio che ti consente di farlo. Il limite del potere risolutivo di un microscopio determina il fenomeno della diffrazione della luce. La diffrazione è il piegamento delle onde attorno agli ostacoli. In senso più ampio, ogni deviazione nella propagazione delle onde dalle leggi dell'ottica geometrica. Nel caso di un microscopio, la diffrazione determina la distanza minima tra due punti luminosi a cui li vedremmo in un microscopio come due, e non uno. Dopo un piccolo calcolo, risulta che la distanza minima alla quale possono essere posizionati due punti luminosi sarà dell'ordine della metà della lunghezza d'onda della luce a cui emettono. Pertanto, per radiazioni a una lunghezza d'onda di 630 nm, si può contare sulla risoluzione di oggetti di dimensioni non superiori a 315 nm. Ma il fenomeno della diffrazione può essere osservato da un'altra angolazione. È noto che la luce è un flusso di fotoni, particelle quantistiche. È la meccanica quantistica che ci aiuterà a capire come ottenere una risoluzione ben oltre il limite di diffrazione. Il fatto è che la relazione di incertezza collega due vettori, la quantità di moto di una particella e il suo vettore raggio. Come SI Valyansky nel "Soros Educational Journal": "Ora se ci chiediamo l'incertezza nella definizione della quantità di moto, allora abbiamo impostato quell'incertezza nella definizione della coordinata di un oggetto quantistico, che non possiamo più ridurre. Questo ci dà un certo volume nello spazio delle coordinate Sia un cubo di volume noto, ma nessuno ci vieta di deformarlo senza modificarne il volume e violando così la relazione di incertezza generale, e deformiamo questo cubo in una sottile frittella, di grande area, ma di piccolo spessore. Se il quanto si muove in una direzione parallela al piano di questo pancake, allora a causa della grande incertezza della sua localizzazione nel piano del pancake, è possibile ottenere una certezza sufficientemente grande nella proiezione della quantità di moto su questo piano. Allo stesso tempo, otteniamo una localizzazione sufficientemente alta del quanto nella direzione perpendicolare a questo piano, ma un'enorme incertezza nella proiezione della quantità di moto su questa direzione. Pertanto, l'accuratezza nel determinare la direzione del movimento quantistico in un piano parallelo al piano del pancake è direttamente correlata allo spessore di questo pancake. In altre parole, più sottile arrotoliamo il nostro volume in una frittella, più accuratamente saremo in grado di misurare la direzione del movimento quantistico nel piano della frittella. Quindi, risulta che possiamo determinare con precisione una delle proiezioni del vettore raggio e una delle proiezioni della quantità di moto. Solo queste proiezioni sono reciprocamente perpendicolari. Ma come si può mettere in pratica la teoria? Infatti, per lavorare con grandi flussi di quanti localizzati in uno strato sottile, è necessario che si propaghino abbastanza bene in questo strato sottile, poiché si vuole rendere la regione di loro localizzazione nella direzione perpendicolare al loro movimento, nanometro- dimensioni.
È qui che i plasmoni vengono in soccorso. I plasmoni sono quasi-particelle (quanta) risultanti dalle vibrazioni degli elettroni di conduzione rispetto agli ioni. Per i solidi, come i metalli, si tratta di vibrazioni di elettroni di conduzione rispetto al nucleo ionico del cristallo. Sono chiamate quasiparticelle per distinguerle dalle vere particelle quantistiche: elettroni, protoni, neutroni, ecc. La loro differenza sta nel fatto che se riscaldi il metallo in modo che si trasformi in un gas dei suoi atomi originali, allora ci sarà niente plasmoni. Esistono solo quando c'è il metallo nel suo insieme.
In quanto segue, saremo interessati ai quanti di campo elettromagnetico associati alle oscillazioni delle cariche superficiali in assenza di un campo eccitante. Per analogia con i plasmoni ordinari, vengono introdotte le quasiparticelle: i plasmoni di superficie (SP). L'area della loro localizzazione si trova vicino all'interfaccia, dove sono localizzate le cariche superficiali. Nel 1902 l'ottico americano Robert Wood scoprì un cambiamento nell'intensità di un raggio di luce diffratto da un reticolo. Questa è stata la prima osservazione sperimentale di plasmoni di superficie nella gamma ottica. Ma questo si capì solo nel 1941, quando il fisico teorico italiano Hugo Fano riuscì a spiegare le anomalie di Wood. E solo alla fine degli anni '1960, Andreas Otto applicò le idee sviluppate nelle opere del fisico tedesco alle onde elettromagnetiche nel campo ottico. Ha formulato condizioni in cui è possibile eccitare onde PP su superfici lisce e ha indicato un metodo per la loro eccitazione nell'intervallo di lunghezze d'onda ottiche. Così si è aperta la strada allo studio sperimentale dei plasmoni di superficie nel campo ottico. Nel 1971, tre anni dopo la pubblicazione del lavoro di Otto, Erwin Kretschmann propose un altro schema per l'eccitazione dei plasmoni di superficie nel campo ottico. Nella geometria di Kretschmann, una sottile pellicola conduttrice, sulla cui superficie sono eccitati i plasmoni superficiali, viene applicata direttamente al prisma con cui sono eccitati. Nel 1988, Wolfgang Knohl e Benno Rothenhäusler hanno proposto l'uso di plasmoni di superficie per la microscopia. Hanno dimostrato un modello funzionante di un microscopio, in cui i plasmoni di superficie sono stati eccitati secondo lo schema di Kretschmann, per studiare una griglia appositamente realizzata con parametri noti. I risultati furono così impressionanti che presto questo nuovo dispositivo iniziò ad essere utilizzato in fisica, chimica, biologia e tecnologia. Molti ricercatori si sono rivolti a questo strumento per il suo design semplice e l'alta risoluzione.
Il design del microscopio per plasmoni di superficie si basa sullo schema di eccitazione dei plasmoni di superficie con il metodo di Kretschmann. SI Valyansky: "Una sottile pellicola metallica si deposita sulla faccia dell'ipotenusa di un prisma triangolare rettangolare. Viene illuminata dal lato del prisma con luce monocromatica polarizzata linearmente con una divergenza di un ordine di grandezza inferiore alla metà della larghezza della curva di risonanza per questo film Inoltre, il vettore di polarizzazione si trova nel piano di incidenza della luce - la cosiddetta luce polarizzata P. La luce riflessa dal film colpisce la fotomatrice, il cui segnale viene elaborato dal computer.Ricordiamo che la risoluzione nel piano della pellicola abbiamo pochi micron. Pertanto, un telescopio viene posizionato tra il prisma e la fotomatrice nel percorso della luce, espandendo il raggio in modo che la luce proveniente dall'area micrometrica della pellicola, catturi diversi elementi della fotomatrice. Questo è uno dei semplici schemi di un microscopio plasmonico di superficie, ma ben lungi dall'essere l'unico. Ci sono un gran numero di loro modifiche, convenienti per risolvere problemi specifici. Come funziona un microscopio plasmonico di superficie? Le condizioni per l'eccitazione risonante dei plasmoni di superficie dipendono non solo dalle proprietà del film metallico sulla cui superficie sono eccitati, ma anche dalle proprietà dielettriche del mezzo con cui confina questo film. Qualsiasi film sottile su una superficie metallica può essere rappresentato come un cambiamento locale nelle proprietà dielettriche dell'ambiente. E questo influisce immediatamente sulla condizione di eccitazione risonante in questo luogo di plasmoni di superficie. In altre parole, la curva di risonanza viene spostata in questo punto rispetto alla curva per un film puro nella regione dei grandi angoli. Ciò significa che se regoliamo il nostro microscopio su un angolo corrispondente all'eccitazione ottimale dei plasmoni di superficie per una pellicola di metallo puro, allora nei punti in cui si troverà l'oggetto misurato, l'intensità della luce riflessa sarà maggiore e maggiore sarà , più spesso è questo frammento. Il microscopio non risponde allo spessore, ma alle variazioni di un parametro che dipende dalla permittività e dallo spessore dell'oggetto da misurare. L'elemento principale dell'intero dispositivo è un sottile film metallico. La risoluzione dell'intero dispositivo dipende dalla corretta scelta del suo spessore e qualità. L'eccitazione dei plasmoni di superficie non avviene ad un certo angolo di incidenza, ma ad un insieme di angoli. Se ricordiamo che l'insieme degli angoli corrisponde all'insieme dei momenti fotonici, allora tutto diventa chiaro. La ragione di ciò è la durata finita dei plasmoni di superficie. La risoluzione del microscopio sarà migliore, più a lungo sarà in grado di propagare la PP. Se la sua velocità di propagazione è fissa, in una vita più breve si diffonderà su una distanza più breve. Ed è chiaro che a causa dell'assorbimento e della dispersione sulla rugosità del film metallico, la lunghezza del percorso può solo diminuire. Tuttavia, non solo la superficie del film è responsabile della durata dei plasmoni di superficie, ma anche le sue proprietà di massa. La costante dielettrica di un metallo ha una parte sia reale che immaginaria. A causa della presenza di quest'ultimo, l'energia elettromagnetica viene assorbita e, di conseguenza, la vita dei plasmoni di superficie diminuisce. Pertanto, per aumentare la risoluzione del microscopio, è necessario prendere un metallo con un valore minimo della permittività immaginaria. L'argento è un tale metallo. Un aspetto sfavorevole, però, è che il film d'argento si degrada rapidamente, ossidandosi in circa una settimana. Ma questa difficoltà è stata superata sviluppando un metodo per proteggere la superficie del film d'argento. Se la pellicola metallica è sottile, il confine ravvicinato del prisma porterà al fatto che sarà più redditizio per i plasmoni di superficie decadere e trasformarsi in radiazione di massa piuttosto che rimanere in eccitazione superficiale, cioè la sua vita sarà breve. Per lo stesso motivo, la frazione di energia che va nella generazione dei plasmoni di superficie sarà piccola. Ovviamente, se lo spessore del film metallico è troppo grande, praticamente tutta l'energia dell'onda elettromagnetica eccitante verrà assorbita nel volume del film, non raggiungendone la superficie. E il film funzionerà come uno specchio. Naturalmente esiste uno spessore ottimale, che deve essere determinato. Questo effetto è ampiamente utilizzato come metodo per lo studio di vari strati di transizione e film sottili. Questa è la sua principale area di applicazione. Il microscopio è stato originariamente progettato per osservare l'organizzazione di film orientati monomolecolari nel momento della loro formazione sulla superficie di un liquido e durante il loro trasferimento su substrati solidi. Un'altra area di applicazione è la biologia, l'osservazione diretta di oggetti biologici. In questo caso è importante non tanto l'elevata risoluzione del microscopio in termini di spessore quanto l'elevata risoluzione di oggetti la cui struttura interna è determinata da elementi con piccole variazioni della permittività. Di solito, i biologi iniettano liquido di contrasto per osservare i loro oggetti, dopodiché possono essere osservati. Un microscopio al plasma permette di osservarli senza questi trucchi. Con l'aiuto di un tale microscopio è possibile, ad esempio, distinguere in un mezzo acquoso il confine tra il citoplasma e la parete cellulare. Un microscopio - un sensore basato sulla risonanza PP - può essere utilizzato per registrare la cinetica delle reazioni chimiche e biochimiche, per controllare la dimensione dei complessi formati sulla superficie. Autore: Musskiy SA
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