Per progettare la prossima generazione di dispositivi ottici, che vanno dai pannelli solari efficienti ai LED ai transistor ottici, gli ingegneri avranno bisogno di un'immagine tridimensionale che rappresenti come la luce interagisce con questi oggetti su scala nanometrica.

Sfortunatamente, la fisica della luce ha creato un ostacolo nelle tecniche di imaging tradizionali:più piccolo è l'oggetto, minore è la risoluzione dell'immagine in 3-D.

Ora, ingegneri di Stanford e del FOM Institute AMOLF, un laboratorio di ricerca nei Paesi Bassi, hanno sviluppato una tecnica che consente di visualizzare le proprietà ottiche di oggetti che sono diversi millesimi delle dimensioni di un granello di sabbia, in 3-D e con risoluzione su scala nanometrica.

La ricerca è dettagliata nell'attuale numero di Nanotecnologia della natura .

La tecnica prevede una combinazione unica di due tecnologie, catodoluminescenza e tomografia, consentendo la generazione di mappe 3D del paesaggio ottico degli oggetti, ha detto l'autore principale dello studio Ashwin Atre, uno studente laureato nel gruppo di laboratorio di Jennifer Dionne, un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria.

L'oggetto bersaglio in questo esperimento di prova del principio era una mezzaluna rivestita d'oro di 250 nanometri di diametro, diverse centinaia di volte più sottile di un capello umano. Per studiare le proprietà ottiche della mezzaluna, l'hanno prima ripreso usando un microscopio elettronico a scansione modificato. Quando il fascio di elettroni focalizzato passava attraverso l'oggetto, eccitava energicamente la mezzaluna, facendolo emettere fotoni, un processo noto come catodoluminescenza.

Sia l'intensità che la lunghezza d'onda dei fotoni emessi dipendevano da quale parte dell'oggetto eccitava il fascio di elettroni, disse Atre. Ad esempio, il guscio d'oro alla base dell'oggetto emetteva fotoni di lunghezze d'onda più corte rispetto a quando il raggio passava vicino al divario alle estremità della mezzaluna.

Scansionando il raggio avanti e indietro sull'oggetto, gli ingegneri hanno creato un'immagine 2-D di queste proprietà ottiche. Ogni pixel in questa immagine conteneva anche informazioni sulla lunghezza d'onda dei fotoni emessi attraverso le lunghezze d'onda visibili e nel vicino infrarosso. Questa tecnica di imaging spettrale in catodoluminescenza 2-D, sperimentato dal team AMOLF, ha rivelato i modi caratteristici in cui la luce interagisce con questo oggetto su scala nanometrica.

"Interpretare un'immagine 2-D, però, può essere abbastanza limitante, " Ha detto Atre. "È come cercare di riconoscere una persona dalla sua ombra. Volevamo davvero migliorarlo con il nostro lavoro".

Per spingere la tecnica nella terza dimensione, gli ingegneri hanno inclinato il nanocrescente e l'hanno scansionato di nuovo, raccolta di dati sulle emissioni 2-D da diverse angolazioni, ciascuno fornendo una maggiore specificità alla posizione del segnale ottico.

Utilizzando la tomografia per combinare questa serie inclinata di immagini 2D, simile a come le immagini a raggi X 2-D di un corpo umano sono cucite insieme per produrre un'immagine TC 3-D, Atre ei suoi colleghi hanno creato una mappa 3D delle proprietà ottiche dell'oggetto. Questa mappa sperimentale rivela sorgenti di emissione luminosa nella struttura con una risoluzione spaziale dell'ordine di 10 nanometri.

Per decenni, le tecniche per l'immagine delle interazioni luce-materia con una risoluzione limitata dalla sub-diffrazione sono state limitate al 2D. "Questo lavoro potrebbe consentire una nuova era dell'imaging ottico 3D con risoluzione spaziale e spettrale su scala nanometrica, " disse Dionne, che è un affiliato dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso SLAC.

La tecnica può essere utilizzata per sondare molti sistemi in cui la luce viene emessa all'eccitazione degli elettroni.

"Ha applicazioni per testare vari tipi di materiali ingegnerizzati e naturali, " ha detto Atre. "Per esempio, potrebbe essere utilizzato nella produzione di LED per ottimizzare il modo in cui la luce viene emessa, o nei pannelli solari per migliorare l'assorbimento della luce da parte dei materiali attivi."

La tecnica potrebbe anche essere modificata per l'imaging di sistemi biologici senza la necessità di etichette fluorescenti.