Лазерный мир

Ангстрем — это 0,1 нанометра, или одна десятимиллиардная метра. Примерно такое расстояние между атомами в молекуле. Видеть на таком масштабе оптически — задача, которую долго считали невозможной: длина световой волны в сотни раз больше.

Но современные техники оптической микроскопии научились «обманывать» этот предел, не наблюдая сами объекты, а локализуя источники излучения — то есть точно определяя их координаты статистически. Проблема: до сих пор наибольшая точность достигалась лишь при использовании нескольких лазеров и сложной интерферометрической аппаратуры.

Новая работа, описанная в Phys.org, решает эту проблему иначе. Исследователи разработали метод, который достигает ангстремной точности локализации с одним лазером.

Как работает однолазерный подход

Стандартная суперразрешающая микроскопия — например, STORM или PALM — основана на том, что отдельные флуоресцентные молекулы случайно включаются и выключаются, и их пространственное положение рассчитывается по центроиде яркого пятна на детекторе. Но при одном лазере и стандартной конфигурации точность ограничена.

Авторы работы применили иной принцип: они использовали интерференцию внутри самого зондирующего светового поля — без внешнего интерферометра. Специально структурированный лазерный пучок создаёт характерный интерференционный паттерн вблизи исследуемого объекта, и по форме этого паттерна определяется положение объекта.

Ключевые параметры нового метода:

• Точность локализации: в диапазоне единиц ангстрем (порядка 1–3 Å в оптимальных условиях).
• Источник: один лазер стандартной мощности.
• Требования к оборудованию: ниже, чем у существующих многолазерных интерферометрических систем.
• Применимость: металлические наночастицы, квантовые точки, одиночные молекулы.

Зачем нужна такая точность

Ангстремная локализация — это не только научная гимнастика. Это инструмент, который меняет что можно измерить.

Динамика молекулярных машин в живой клетке — белковые моторы, которые перемещаются вдоль цитоскелета — характеризуется шагами в единицы нанометров. Промежуточные состояния, которые длятся миллисекунды, не видны ни обычной микроскопии, ни электронной — слишком медленной и деструктивной.

Ангстремная оптическая локализация в реальном времени могла бы видеть эти шаги непосредственно.

В материаловедении — дефекты кристаллической решётки, позиции отдельных примесных атомов в полупроводниках — всё это объекты ангстремной шкалы, критичные для понимания свойств квантовых материалов.

До широкого применения нового метода предстоит решить вопросы стабильности в биологических образцах (где всё движется), стандартизации и верификации на независимых установках. Но принципиальная демонстрация с одним лазером меняет представление о том, какого уровня точности можно достичь без сложной лазерной оптической инфраструктуры.

Биология и материаловедение как главные потребители

Ангстремная точность открывает возможность наблюдать шаги молекулярных моторов в клетке и позиции примесных атомов в квантовых материалах в реальном времени.

Материал подготовлен по публикации Phys.org, который является агрегатором научных новостей.

Источник: https://pronedra.ru/microscopy-angstrom-localization-one-laser-827299.html