In "Avengers:Endgame, Tony Stark avvertì Scott Lang che mandarlo nel regno quantico e riportarlo indietro sarebbe stato un "colpo di fortuna cosmico da un miliardo a uno".

In realtà, restringere un raggio di luce a un punto di dimensioni nanometriche per spiare le interazioni luce-materia su scala quantistica e recuperare le informazioni non è più facile. Ora, ingegneri dell'Università della California, lungo il fiume, hanno sviluppato una nuova tecnologia per incanalare la luce nel regno quantico con un'efficienza senza precedenti.

In un Fotonica della natura carta, una squadra guidata da Ruoxue Yan, un assistente professore di ingegneria chimica e ambientale, e Ming Liu, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, descrivere il primo portatile al mondo, poco costoso, strumento di nanoscopia ottica che integra una fibra ottica di vetro con un condensatore a nanofili d'argento. Il dispositivo è un tunnel luminoso di andata e ritorno ad alta efficienza che spreme la luce visibile fino alla punta del condensatore per interagire con le molecole localmente e inviare informazioni in grado di decifrare e visualizzare l'inafferrabile nanomondo.

La nostra capacità di ingrandire i dettagli fini di un oggetto è limitata dalla natura ondulatoria della luce. Se hai mai usato un microscopio ottico in una lezione di scienze, probabilmente hai imparato che si può ingrandire un oggetto solo di circa 2, 000 volte prima che tutto diventi sfocato. Questo perché è impossibile distinguere qualsiasi caratteristica più fine della metà della lunghezza d'onda della luce - poche centinaia di nanometri per la luce visibile in campo lontano - non importa quanto sia avanzato il tuo microscopio.

A differenza delle onde di campo lontano, le onde di campo vicino esistono solo molto vicino a una fonte di luce e non sono governate da questa regola. Ma non viaggiano volontariamente e sono molto difficili da utilizzare o osservare. Dagli anni '20, gli scienziati hanno pensato che forzare la luce attraverso un piccolo foro stenopeico su una pellicola metallica genererebbe onde di campo vicino che potrebbero essere convertite in luce rilevabile, ma i primi prototipi di successo furono costruiti solo mezzo secolo dopo.

All'inizio degli anni '90, Eric Betzig, il premio Nobel 2014 per la chimica, apportato miglioramenti sostanziali ai prototipi precedenti in termini di prestazioni di imaging e affidabilità. Da allora, microscopia ottica a scansione in campo vicino, come è nota la tecnica, è stato utilizzato per rivelare i dettagli su scala nanometrica di molte sostanze chimiche, biologico, e sistemi materiali.

Sfortunatamente, quasi un altro mezzo secolo dopo, questa tecnica è ancora esoterica e usata da pochi.

"Inviare luce attraverso un minuscolo foro stenopeico mille volte più piccolo del diametro di una ciocca di capelli umani non è un gioco da ragazzi, " Liu ha detto. "Solo pochi su un milione di fotoni, o particelle leggere, può passare il foro stenopeico e raggiungere l'oggetto che si desidera vedere. Ottenere un biglietto di sola andata è già impegnativo; un biglietto di andata e ritorno per riportare un segnale significativo è quasi un sogno ad occhi aperti".

Gli scienziati hanno compiuto infiniti sforzi per migliorare questa possibilità. Mentre le sonde più sofisticate oggi ne consentono solo una su 1, 000 fotoni per raggiungere l'oggetto, il dispositivo UC Riverside fornisce metà dei fotoni alla punta.

"La chiave del design è un processo di messa a fuoco sequenziale in due fasi, " Yan ha detto. "Nel primo passo, la lunghezza d'onda della luce in campo lontano aumenta lentamente mentre viaggia lungo una fibra ottica che si assottiglia gradualmente, senza modificarne la frequenza. Quando corrisponde alla lunghezza d'onda dell'onda di densità elettronica nel nanofilo d'argento che si trova sopra la fibra ottica, boom! Tutta l'energia viene trasferita all'onda di densità elettronica e inizia invece a viaggiare sulla superficie del nanofilo".

Nella seconda fase del processo di messa a fuoco, l'onda si condensa gradualmente a pochi nanometri all'apice della punta.

Il dispositivo UC Riverside, un minuscolo ago d'argento con la luce che fuoriesce dalla punta "è un po' come la bacchetta di Harry Potter che illumina una piccola area, " ha spiegato Sanggon Kim, il dottorando che ha svolto lo studio.

Kim ha utilizzato il dispositivo per mappare la frequenza delle vibrazioni molecolari che consentono di analizzare i legami chimici che tengono insieme gli atomi in una molecola. Questo è noto come spettroscopia Raman potenziata dalla punta, o TERS, immagini. TERS è la branca più impegnativa della microscopia ottica in campo vicino, perché si tratta di segnali molto deboli. Di solito richiede ingombranti, apparecchiature da un milione di dollari per concentrare il lavoro di preparazione leggero e noioso per ottenere immagini ad altissima risoluzione.

Con il nuovo dispositivo, Kim ha ottenuto una risoluzione di 1 nanometro su una semplice apparecchiatura portatile. L'invenzione potrebbe essere un potente strumento analitico che promette di rivelare un nuovo mondo di informazioni ai ricercatori in tutte le discipline della nanoscienza.

"L'integrazione di un assemblaggio fibra-nanofilo con la spettroscopia Raman potenziata con la punta accoppiata con un microscopio a scansione a effetto tunnel consente la raccolta di immagini chimiche ad alta risoluzione in una configurazione semplice ed elegante, ponendo questo strumento in prima linea nell'imaging ottico e nella spettroscopia. Siamo orgogliosi di questo risultato e del suo impatto sulla ricerca chimica. Siamo ancora più incoraggiati dalla sua potenziale applicazione in una vasta gamma di discipline come la ricerca biologica e sui materiali, che favorirà il progresso scientifico, " disse Lin He, vicedirettore ad interim della divisione della National Science Foundation Division of Chemistry che in parte ha finanziato la ricerca.