Микроскопы добрались до атомов

Фото сайта tuni.fi

Начиная с времен нидерландского торговца сукном, натуралиста и конструктора микроскопов Антония ван Левенгука (1632–1723), использовавшего линзы для проверки качества продаваемых тканей, прогресс микроскопии никогда не останавливался. Длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна ее частоте, поэтому ультрафиолет дает большее увеличение. Зато инфракрасные лучи, меньше взаимодействующие с веществом, соответственно проникают в ткани глубже.

Вслед за световым был создан электронный микроскоп, разрешение которого несоизмеримо выше. Длина волны электрона в тысячи раз меньше таковой у светового излучения, измеряемой сотнями нанометров. Затем в арсенале физиков, биологов, химиков появились сканирующие электронный и туннельный, флюоресцентный и рентгеновский микроскопы. Последний позволяет получать изображения чуть ли не отдельных атомов. Но он дорог и громоздок, поэтому на замену ему создали криоэлектронный микроскоп практически с тем же увеличением.

Таким образом, применение лучей разных областей спектра позволяет решать разные задачи. Но наука не так уж богата, чтобы эксплуатировать дорогостоящие приборы, тем не менее ученые не оставляют надежд на продвижение в сторону все большего разрешения. А оно увеличивается с сокращением длины волны и, следовательно, продолжительности импульса. Так микроскопия освоила фемтосекундный «диапазон» (10-15 сек, триллионная доля секунды), а теперь, похоже, переходит к аттосекундам (10–18 сек). Об этом сообщили ученые Университета г. Констанц, предложившие аттосекундный электронный микроскоп.

Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за математическое описание фотоэффекта, то есть он объяснил механизм взаимодействия света с материей. Статья нынешних немецких ученых начинается с упоминания того, что первым шагом взаимодействия света с веществом является электродинамический ответ (response) электронов на циклические изменения световой волны. Понимание природы этих взаимодействий и возможность их контроля крайне важны для нанофотоники.

В своем подходе к решению задачи авторы начинают с упоминания братьев Мориса и Луи де Бройль. Кстати, оба были членами АН СССР. Младший, Луи, получил Нобелевскую премию по физике в 1929 году за труды по распространению электромагнитных волн и теорию волновых свойств материи, что естественно для одного из отцов-основателей квантовой физики.

Так уж получилось, что развитие электронной микроскопии и телевидения шло параллельно друг другу. Это неудивительно, с учетом наличия и в микроскопе, и в ТВ-трубке так называемой электронной пушки, создающей луч, или поток электронов высокой плотности. Он направляется на мишень – люминесцентный слой кинескопа или исследуемый образец. В результате создается изображение.

Пушку использовали и в Констанце, добавив к лучу элемент модуляции, на который направляется луч лазера с волной CW (Continuous Wave). Модуляция электронной волны генерирует быстрые аттосекундные импульсы, направляемые на мишень с целью поверки локального электрического поля и ответа на него материала образца. Соединение импульсов с лучом лазера происходит в нанорезонаторе, после чего изображение, обработанное компьютером, выводится на экран. Помимо всего прочего, тем самым лишний раз подчеркнута ценность объединения электронной микроскопии и лазерной технологии для более глубокого понимания классического фотоэффекта.

Развитие все более изощренного инструментария физических исследований позволяет, кроме того, «метаморфизировать» поверхность с помощью легирования ее и даже сооружения на ней самых разнообразных наноструктур. Полученные таким образом метаматериалы очень своеобразно взаимодействуют со светом. Этот эффект использовали исследователи Университета Тампере (Финлядия). Ученые с помощью метаматериала создали миниатюрную цветную камеру с 5-миллиметровой апертурной оптикой. Ее преимуществом является не только малый диаметр (5 мм), но и плоская линза, позволяющая создавать микроскопические оптические устройства с высоким разрешением. Достаточно сказать, что новая камера значительно меньше монеты достоинством в один пенни (сравнимой с нашей 10-копеечной).