Schéma du dispositif expérimental pour l'imagerie par photoluminescence d'une molécule unique avec une résolution sub-nanométrique. Crédit :Yang Ben, Huang Wen et al.
Le professeur Dong Zhenchao et le professeur Hou Jianguo de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) ont amélioré la résolution spatiale de 8 nm à ~8 Å de l'imagerie par photoluminescence. Cela a permis d'obtenir pour la première fois une résolution sous-moléculaire avec l'imagerie par photofluorescence à molécule unique.
Cette étude a été publiée dans Photonique de la nature le 10 août.
Atteindre la résolution atomique avec la lumière a toujours été l'un des objectifs ultimes de la nano-optique, et l'avènement de la microscopie optique en champ proche à balayage (SNOM) a suscité des espoirs pour cet objectif.
Le professeur Dong et ses collègues ont démontré avec succès une résolution spatiale à l'échelle sub-nanométrique dans l'imagerie par spectroscopie Raman à molécule unique avec un effet d'amélioration locale d'un champ de plasmons de nanocavité dans une étude en 2013.
Cependant, contrairement au processus de diffusion Raman, la fluorescence sera éteinte au voisinage très immédiat des métaux qui arrêtent le développement de la résolution du SNOM vers 10 nm.
Les propriétés de rayonnement (fluorescence) des molécules dans la nanocavité métallique sont directement affectées par la densité photonique de la nanocavité, et la densité photonique de la nanocavité est étroitement liée à la structure de la pointe de la sonde. Par conséquent, il est essentiel de modifier la structure de la sonde et l'état électronique des molécules dans la nanocavité pour éviter l'extinction de la fluorescence et obtenir une imagerie de photofluorescence haute résolution.
L'équipe de Dong a encore affiné la nanocavité plasmon, en particulier dans la fabrication et le contrôle de la structure au niveau atomique de la pointe de la sonde. Ils ont construit un sommet de pointe en Ag avec une protubérance atomistique et ont fait correspondre la résonance plasmonique de la nanocavité avec l'énergie effective du laser incident et de la luminescence moléculaire.
Puis, les chercheurs ont utilisé une couche diélectrique ultra-mince (NaCl de trois atomes d'épaisseur) pour isoler le transfert de charge entre les molécules de la nanocavité et le substrat métallique, obtenir une résolution inférieure au nanomètre de l'imagerie par photoluminescence d'une molécule unique.
Ils ont découvert qu'avec la sonde approchant la molécule, même si leur distance est inférieure à 1 nm, l'intensité de la photoluminescence continue d'augmenter de façon monotone. Et l'extinction de fluorescence disparaît complètement.
Des simulations théoriques ont montré que lorsque la pointe de protrusion atomistique et le substrat métallique forment une nanocavité plasmon, la réponse de résonance du plasmon de la nanocavité et l'effet paratonnerre de la structure en saillie atomistique auraient un effet synergique. L'effet synergique génère un champ électromagnétique puissant et très localisé comprimant le volume du mode de la cavité en dessous de 1 nm 3 , ce qui augmente considérablement la densité photonique localisée des états et le taux de décroissance du rayonnement moléculaire. Ces effets inhibent non seulement l'extinction de la fluorescence, mais également réaliser une imagerie par photoluminescence à résolution inférieure au nanomètre.
Pour obtenir une résolution spatiale inférieure au nanomètre, la taille de la pointe et la distance entre la pointe et l'échantillon doivent être à l'échelle sub-nanométrique.
Les chercheurs ont en outre réalisé une imagerie hyperspectrale par photoluminescence à résolution sous-moléculaire avec des informations spectrales, et a démontré les effets de l'interaction locale plasmon-exciton sur l'intensité de la fluorescence, position du pic et largeur du pic sur l'échelle sub-nanométrique.
Cette recherche a atteint l'objectif tant attendu d'utiliser la lumière pour analyser la structure interne des molécules dans le SNOM, et a fourni une nouvelle méthode technique pour détecter et moduler l'environnement localisé des molécules et les interactions lumière-matière à l'échelle sub-nanométrique.
Les critiques de Photonique de la nature dire que ce papier sera un article important dans son domaine, qui a une importance capitale pour la réalisation de recherches en microscopie spectroscopique ultrasensible avec une lumière à l'échelle atomique.
