Des scientifiques de l'Université ITMO ont utilisé une nanoparticule de silicium-or agitée par un laser à impulsions dans la bande IR comme source efficace de lumière blanche. Un de ces "nanobulbs" a été intégré dans un microscope à sonde standard, ce qui a permis aux chercheurs de dépasser la limite de diffraction et d'examiner des objets de taille inférieure à la longueur d'onde. La nouvelle technologie rend la microscopie moderne en champ proche moins chère et plus simple, et est potentiellement utile en médecine. L'étude a été publiée dans Lettres nano .

Afin d'examiner un objet à l'aide d'un microscope optique ordinaire, la lumière visuelle est focalisée à l'aide de lentilles spéciales. Cependant, si la taille de l'objet est inférieure à une longueur d'onde, il ne peut pas être observé en détail. C'est ce qu'on appelle la limite de diffraction. Il existe aujourd'hui plusieurs technologies capables de dépasser cette limite. En microscopie optique en champ proche, le champ électromagnétique de l'objet est mesuré en champ proche avec une sonde spéciale qui peut interagir avec le champ électromagnétique localisé et le disperser dans la zone où il peut être enregistré par des détecteurs communs. Mais pour obtenir des informations sur un objet avec une résolution inférieure à la longueur d'onde dans un large spectre, les chercheurs passent souvent des heures à numériser à différentes longueurs d'onde jusqu'à ce qu'elles couvrent tout le spectre.

Des chercheurs de l'Université ITMO ont résolu ce problème en utilisant une soi-disant "nanobulb, " une source lumineuse miniature basée sur une nanoparticule de silicium et d'or. Sa principale caractéristique est qu'elle émet de la lumière dans une bande de longueur d'onde extrêmement large, de 400 à 1, 000 nm. Une seule nanoampoule peut enregistrer et analyser la réponse optique de toutes sortes de nanostructures sous-longueur d'onde dans l'ensemble du spectre visible en même temps. Cela augmente l'efficacité et la vitesse de la microscopie de plusieurs fois.

Pour créer la nanoampoule, des scientifiques du Département de nanophotonique et de métamatériaux ont imprimé une nanoparticule de silicium et d'or. Pour lui faire émettre des photons, les chercheurs l'ont éclairé avec un laser IR femtoseconde. Les électrons ont d'abord atteint des niveaux d'énergie plus élevés, puis glissé vers le bas de la bande de conduction silicium, émettant des photons à différentes longueurs d'onde.

"Silicium, un semi-conducteur à entrefer non direct, est un matériau pauvre pour générer des émissions. En d'autres termes, si vous l'allumez avec un laser, il absorbera peut-être un million de photons et n'en émettra qu'un seul. Encore, c'est très bon marché - vous pouvez littéralement le faire à partir de sable. C'est pourquoi l'humanité aspire à lui trouver le plus d'applications possible dans le photovoltaïque, microélectronique et autres domaines. Nous avons trouvé une application des plus inattendues, en utilisant son principal inconvénient - sa bande interdite indirecte - pour créer une source nanométrique de lumière blanche pouvant émettre des photons d'énergie de 3,4 à 1,1 eV, " dit Sergueï Makarov, associé de recherche senior au Département de nanophotonique et métamatériaux.

"En outre, à la frontière de l'or et du silicium, des interfaces émergent qui permettent une recombinaison radiative encore meilleure des électrons. Beaucoup de mécanismes physiques que nous devons encore rechercher sont à l'œuvre ici, donc il y a beaucoup de travail théorique que nous devrons faire pour améliorer notre nanobulb, y compris la création d'un modèle d'émittance, " dit Ivan Sinev, doctorat étudiant à l'Université ITMO.

Il note qu'une autre caractéristique positive de la nanoampoule est qu'elle utilise un laser à bande infrarouge pour générer de la lumière visible. Cela signifie qu'un "bruit" supplémentaire dans le signal optique peut être supprimé en filtrant la lumière IR dissipée, ce qui améliore l'efficacité avec laquelle le signal réel est enregistré.

Sur la suggestion d'Anton Samusev, attaché de recherche à l'Université ITMO, le nanobulb a été placé sur une sonde commune d'un microscope à force atomique en utilisant une méthode développée par Ivan Mukhin et Filipp Komissarenko au département de nanophotonique et métamatériaux. La sonde a permis aux chercheurs de rapprocher la source de lumière visible du matériau d'essai, ce qui a considérablement amplifié l'interaction des champs proches.

Le signal de cette émission est enregistré et séparé sur un spectre à l'aide d'un spectromètre ordinaire. Ainsi, une nanoampoule peut être intégrée dans un équipement microscopique standard. Il peut être attaché à n'importe quelle sonde et utilisé pour enregistrer ses signaux avec des photodétecteurs ordinaires, tout en recevant des informations sur le champ proche d'un nano-objet dans toute la bande du spectre visible. Ainsi, Les nanoparticules de silicium-or pourraient rendre la microscopie plus flexible et moins chère.

"Nous développons également l'idée d'utiliser la nanoampoule comme nanolaser. Si nous plaçons une telle particule dans un résonateur capable de modifier la longueur de fonctionnement de l'onde, on peut se retrouver avec un laser accordable, celui qui peut fonctionner à n'importe quelle longueur d'onde définie dans le spectre visible. En outre, la nanoampoule peut également être utilisée en biologie à des fins telles que l'éclairage de cellules et la détection de substances sensibles à des longueurs d'onde particulières, " ajoute Sinev.