Dans "Avengers :Endgame, « Tony Stark a averti Scott Lang que l'envoyer dans le royaume quantique et le ramener serait un « coup cosmique d'un milliard pour un ».

En réalité, réduire un faisceau lumineux à un point de la taille d'un nanomètre pour espionner les interactions lumière-matière à l'échelle quantique et récupérer les informations n'est pas plus facile. Maintenant, ingénieurs de l'Université de Californie, Bord de rivière, ont développé une nouvelle technologie pour canaliser la lumière dans le domaine quantique avec une efficacité sans précédent.

Dans un Photonique de la nature papier, une équipe dirigée par Ruoxue Yan, professeur assistant en génie chimique et environnemental, et Ming Liu, professeur assistant en génie électrique et informatique, décrire le premier portable au monde, peu coûteux, outil de nanoscopie optique qui intègre une fibre optique en verre avec un condensateur à nanofil d'argent. L'appareil est un tunnel de lumière aller-retour à haute efficacité qui presse la lumière visible jusqu'à l'extrémité du condenseur pour interagir localement avec les molécules et renvoyer des informations qui peuvent déchiffrer et visualiser le nanomonde insaisissable.

Notre capacité à zoomer sur les détails fins d'un objet est limitée par la nature ondulatoire de la lumière. Si vous avez déjà utilisé un microscope optique dans un cours de sciences, vous avez probablement appris qu'on ne peut grossir un objet que d'environ 2, 000 fois avant que tout ne devienne flou. C'est parce qu'il est impossible de distinguer des caractéristiques plus fines que la moitié de la longueur d'onde de la lumière (quelques centaines de nanomètres pour la lumière visible en champ lointain), quelle que soit l'avancée de votre microscope.

Contrairement aux ondes lointaines, les ondes de champ proche n'existent que très près d'une source lumineuse et ne sont pas régies par cette règle. Mais ils ne voyagent pas volontairement et sont très difficiles à utiliser ou à observer. Depuis les années 1920, les scientifiques ont pensé que forcer la lumière à travers un petit trou d'épingle sur un film métallique générerait des ondes en champ proche qui pourraient être converties en lumière détectable, mais les premiers prototypes réussis n'ont été construits qu'un demi-siècle plus tard.

Au début des années 1990, Eric Betzig, le lauréat du prix Nobel de chimie 2014, a apporté des améliorations substantielles aux prototypes antérieurs en termes de performances et de fiabilité de l'imagerie. Depuis, microscopie optique à balayage en champ proche, comme la technique est connue, a été utilisé pour révéler les détails à l'échelle nanométrique de nombreux produits chimiques, biologique, et les systèmes matériels.

Malheureusement, près d'un demi-siècle plus tard, cette technique est encore ésotérique et peu utilisée.

"Envoyer de la lumière à travers un minuscule trou d'épingle mille fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain n'est pas du gâteau, " dit Liu. " Seulement quelques photons sur un million, ou particules légères, peut passer le trou d'épingle et atteindre l'objet que vous voulez voir. Obtenir un billet aller simple est déjà un défi; un billet aller-retour pour ramener un signal significatif est presque un rêve éveillé."

Les scientifiques ont fait des efforts sans fin pour améliorer cette chance. Alors que les sondes les plus sophistiquées ne permettent aujourd'hui qu'une sonde sur 1, 000 photons pour atteindre l'objet, l'appareil UC Riverside délivre la moitié des photons à la pointe.

"La clé de la conception est un processus de mise au point séquentiel en deux étapes, " dit Yan. " Dans la première étape, la longueur d'onde de la lumière en champ lointain augmente lentement au fur et à mesure qu'elle descend une fibre optique qui s'amincit progressivement, sans changer sa fréquence. Lorsqu'elle correspond à la longueur d'onde de l'onde de densité électronique dans le nanofil d'argent situé au-dessus de la fibre optique, boom! Toute l'énergie est transférée à l'onde de densité électronique et commence à se déplacer à la surface du nanofil."

Dans la deuxième étape du processus de mise au point, l'onde se condense progressivement à quelques nanomètres au sommet de la pointe.

L'appareil UC Riverside, une petite aiguille en argent avec de la lumière sortant de la pointe "est un peu comme la baguette de Harry Potter qui éclaire une petite zone, " a expliqué Sanggon Kim, le doctorant qui a réalisé l'étude.

Kim a utilisé l'appareil pour cartographier la fréquence des vibrations moléculaires qui permettent d'analyser les liaisons chimiques qui maintiennent les atomes ensemble dans une molécule. Ceci est connu sous le nom de spectroscopie Raman à pointe améliorée, ou TERS, imagerie. TERS est la branche la plus difficile de la microscopie optique en champ proche, car il traite des signaux très faibles. Il nécessite généralement encombrant, un équipement d'un million de dollars pour concentrer un travail de préparation léger et fastidieux pour obtenir des images en super résolution.

Avec le nouvel appareil, Kim a atteint une résolution de 1 nanomètre sur un simple équipement portable. L'invention pourrait être un puissant outil d'analyse qui promet de révéler un nouveau monde d'informations aux chercheurs de toutes les disciplines des nanosciences.

"L'intégration d'un assemblage fibre-nanofil avec spectroscopie Raman à pointe améliorée couplée à un microscope à effet tunnel permet la collecte d'images chimiques haute résolution dans une configuration simple et élégante, plaçant cet outil à la pointe de l'imagerie optique et de la spectroscopie. Nous sommes fiers de cette réalisation et de son impact sur la recherche chimique. Nous sommes encore plus encouragés par son application potentielle dans un large éventail de disciplines telles que la recherche biologique et des matériaux, qui favorisera le progrès scientifique, " dit Lin He, directeur adjoint par intérim de la division de la chimie de la National Science Foundation qui a financé en partie la recherche.