Le nanostrutture sono il Santo Graal dei nuovi materiali. Il meraviglioso materiale grafene, Per esempio, è un singolo strato di atomi di carbonio disposti secondo uno schema esagonale che, a causa della sua conduttività, flessibilità, trasparenza e forza, ha il potenziale per creare celle solari più efficienti, circuiti elettrici e microchip più piccoli e veloci, display trasparenti, e condensatori e batterie ad alta densità.

Secondo Xiaoji Xu, professore assistente presso il Dipartimento di Chimica della Lehigh University, un'altra qualità che rende i nanomateriali come il grafene così speciali è la loro capacità di generare un fenomeno fisico chiamato polaritone.

I polaritoni sono quasiparticelle risultanti da un forte accoppiamento di onde elettromagnetiche con un'eccitazione che trasporta un dipolo elettrico o magnetico, indicato da alcuni come accoppiamento luce-materia. I polaritoni consentono alle nanostrutture di confinare e comprimere la luce attorno al materiale.

La capacità di comprimere la luce è la chiave per ridimensionare i dispositivi per le future comunicazioni ottiche e l'informatica. Potrebbe anche portare al rilevamento su una scala inferiore a un nanometro, importante per ottenere progressi biomedici nel rilevamento delle malattie, prevenzione e cura.

La sfida per chi studia questi materiali, dice Xu, è come rivelare e caratterizzare i polaritoni su scala nanometrica perché nessun microscopio convenzionale può farlo.

Ora Xu e il suo team hanno trovato un modo per rivelare la forma tridimensionale dell'interazione del polaritone attorno a una nanostruttura. La loro tecnica migliora la comune tecnica di imaging spettroscopica nota come microscopia ottica a scansione di campo vicino di tipo scattering (s-SNOM). Il metodo della squadra, chiamata microscopia ottica a scansione in campo vicino a scansione di tipo peak force scattering (PF-SNOM), funziona attraverso una combinazione di modalità di intercettazione della forza di picco e rilevamento della luce in base al tempo. I ricercatori hanno dettagliato il loro lavoro in un articolo intitolato:"Microscopia ottica a scansione di tipo tomografico e multimodale a scansione di campo vicino con modalità di intercettazione della forza di picco" pubblicato online il 21 maggio 2018 in Comunicazioni sulla natura . Oltre a Xu, i coautori del documento includono Haomin Wang, Le Wang e Devon S. Jakob, dottorato di ricerca studenti nel laboratorio di Xu.

Nella carta, gli autori affermano:"PF-SNOM consente il sezionamento diretto di segnali verticali di campo vicino da una superficie del campione sia per l'imaging tridimensionale del campo vicino che per l'analisi spettroscopica. Il rilassamento indotto dalla punta dei polaritoni fononici di superficie viene rivelato e modellato considerando lo smorzamento della punta ."

Secondo i ricercatori, PF-SNOM offre anche una migliore risoluzione spaziale di cinque nanometri, piuttosto che i tipici dieci nanometri offerti dal tradizionale s-SNOM.

"La nostra tecnica potrebbe essere utile agli scienziati che studiano le nanostrutture consentendo loro di comprendere meglio come il campo elettrico è distribuito attorno a una determinata nanostruttura, "dice Xu.

Il loro metodo di caratterizzazione PF-SNOM non è solo più diretto delle tecniche esistenti, può anche ottenere contemporaneamente la polaritonica, informazioni meccaniche ed elettriche.

Con una misura, spiega Xu, è possibile ottenere più modalità di informazione:un vantaggio unico.

Lo sviluppo di PF-SNOM è nato dallo studio del team sulla modalità gap, quando due strutture plasmoniche si avvicinano entro pochi nanometri c'è un enorme aumento dell'intensità del plasmone nello spazio tra le due strutture poiché l'energia viene trasferita da una struttura all'altra. Con la loro capacità di restringere questa risposta in modalità gap nelle simulazioni, i ricercatori hanno deciso di provare a estenderlo alla modalità non gap, aumentando la distanza tra la punta della sonda della microscopia a forza atomica (AFM) e il campione.

"Utilizzando un suggerimento AFM, abbiamo misurato la luce diffusa in funzione della distanza punta-campione, " spiega Wang, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Xu e coautore dell'articolo. "Abbiamo quindi raccolto informazioni a diverse distanze di punta e campione e combinato insieme tutte queste informazioni stratificate per ottenere l'immagine tomografica e rivelare la struttura del polaritone 3-D".

interessante, quando il team ha iniziato i suoi esperimenti si aspettava un risultato diverso. Però, durante le simulazioni, hanno osservato una forma speciale di dispersione della luce e hanno visto che c'era un evidente miglioramento della modalità gap.

"Si è scoperto che potevamo sezionare la luce in diverse distanze dei campioni di punta e utilizzare quei segnali per visualizzare la risposta del campo vicino a diversi strati e in direzioni verticali, "dice Wang.

E aggiunge:"Anche se questo lavoro è stato fatto con gli infrarossi, in linea di massima potrebbe essere esteso anche ad altre frequenze, come visibile e terahertz."