Le prix Nobel de chimie 2014 a récompensé d'importantes recherches en microscopie qui ont permis d'améliorer considérablement la résolution spatiale. Cette nouveauté, résultant en une résolution nanométrique, a été rendu possible en rendant la source (l'émetteur) de l'éclairage assez petite et en la déplaçant assez près de l'objet à imager. Un problème avec cette approche est que dans une telle proximité, l'émetteur et l'objet peuvent interagir l'un avec l'autre, flouter l'image résultante. Maintenant, une nouvelle étude JQI a ​​montré comment affiner encore plus la microscopie à l'échelle nanométrique (nanoscopie) en localisant mieux la position exacte de la source lumineuse.

Limite de diffraction

La microscopie traditionnelle est limitée par la diffraction de la lumière autour des objets. C'est-à-dire, lorsqu'une onde lumineuse de la source frappe l'objet, la vague se dispersera quelque peu. Cette diffusion limite la résolution spatiale d'un microscope conventionnel à pas mieux qu'environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Pour la lumière visible, la diffraction limite la résolution à pas mieux que quelques centaines de nanomètres.

Comment alors, La microscopie en lumière visible peut-elle atteindre une résolution de quelques nanomètres ? En utilisant de minuscules sources lumineuses qui ne dépassent pas quelques nanomètres de diamètre. Des exemples de ces types de sources lumineuses sont des molécules fluorescentes, nanoparticules, et les points quantiques. Le travail de JQI utilise des points quantiques qui sont de minuscules cristaux d'un matériau semi-conducteur pouvant émettre des photons uniques de lumière. Si ces minuscules sources lumineuses sont suffisamment proches de l'objet à cartographier ou à imager, les caractéristiques à l'échelle du nanomètre peuvent être résolues. Ce type de microscopie, appelé « Imagerie à super-résolution, " surmonte la limite de diffraction standard.

Distorsions image-dipôle

Le collègue du JQI Edo Waks et ses collègues ont effectué des cartographies nanoscopiques du profil du champ électromagnétique autour des nano-fils d'argent en positionnant des points quantiques (l'émetteur) à proximité. (Travail précédent :phys.org/news/2013-02-quantum-… probe-nanowires.html ). Ils ont découvert que l'imagerie sub-longueur d'onde souffrait d'un problème fondamental, à savoir qu'un « dipôle image » induit à la surface du nanofil faussait la connaissance de la véritable position de la boîte quantique. Cette incertitude sur la position de la boîte quantique se traduit directement par une distorsion de la mesure du champ électromagnétique de l'objet.

La distorsion résulte du fait qu'une charge électrique positionnée près d'une surface métallique produira exactement un champ électrique comme si une charge négative fantomatique était située aussi loin sous la surface que la charge d'origine est au-dessus d'elle. Ceci est analogue à l'image que vous voyez lorsque vous vous regardez dans un miroir; l'objet miroir semble être aussi loin derrière le miroir que vous êtes devant. La boîte quantique n'a pas de charge électrique nette mais elle a un dipôle électrique net, un léger déplacement des charges positives et négatives à l'intérieur du point.

Ainsi, lorsque le point s'approche du fil, le fil développe un dipôle électrique "image" dont l'émission peut interférer avec la propre émission du point. Étant donné que la lumière mesurée du point est la substance du processus d'imagerie, la présence de lumière provenant du "dipôle image" peut interférer avec la lumière provenant directement du point. Cela déforme la position perçue du point d'une quantité qui est 10 fois supérieure à la précision spatiale attendue de la technique d'imagerie (comme si le nanofil agissait comme une sorte de miroir funhouse).

L'expérience JQI a ​​mesuré avec succès l'effet image-dipôle et a correctement montré qu'il peut être corrigé dans des circonstances appropriées. Le travail qui en résulte fournit une carte plus précise des champs électromagnétiques entourant le nanofil.

Les scientifiques de JQI ont publié leurs résultats dans la revue Communication Nature .

L'auteur principal Chad Ropp (maintenant boursier postdoctoral à l'Université de Californie, Berkeley) dit que l'objectif principal de l'expérience était de produire une meilleure imagerie à super-résolution :"Chaque fois que vous utilisez un émetteur à l'échelle nanométrique pour effectuer une imagerie à super-résolution à proximité d'une structure métallique ou à haute diélectrique, les effets d'image-dipôle peuvent provoquer des erreurs. Parce que ces effets peuvent fausser la mesure de la position du nano-émetteur qu'il est important de prendre en compte pour tout type d'imagerie super-résolue qui effectue une cartographie spatiale."

"Historiquement, les scientifiques ont supposé des erreurs négligeables dans la précision de l'imagerie super-résolue, " dit Ropp. " Ce que nous montrons ici, c'est qu'il y a effectivement des inexactitudes substantielles et nous décrivons une procédure sur la façon de les corriger. "