I nanomateriali svolgono un ruolo essenziale in molti ambiti della vita quotidiana. C'è quindi un grande interesse per acquisire una conoscenza dettagliata delle loro proprietà ottiche ed elettroniche. I microscopi convenzionali vanno oltre i loro limiti quando la dimensione delle particelle scende nell'intervallo di poche decine di nanometri, dove una singola particella fornisce solo un segnale estremamente piccolo. Come conseguenza, molte ricerche sono limitate a grandi insiemi di particelle. Ora, un team di scienziati della Divisione di Spettroscopia Laser del Prof. Theodor W. Hänsch (Direttore del Max Planck Institute of Quantum Optics e Chair for Experimental Physics presso la Ludwig-Maximilians-Universität Munich) ha sviluppato una tecnica, dove viene utilizzata una microcavità ottica per migliorare i segnali di oltre 1000 volte e allo stesso tempo raggiunge una risoluzione ottica vicina al limite fondamentale di diffrazione. La possibilità di studiare le proprietà ottiche di singole nanoparticelle o macromolecole promette un potenziale intrigante per molte aree della biologia, chimica, e nanoscienza.

Le misurazioni spettroscopiche su grandi insiemi di nanoparticelle risentono del fatto che le differenze individuali di dimensioni, forma, e la composizione molecolare vengono lavate e si possono estrarre solo quantità medie. C'è quindi un grande interesse per lo sviluppo di tecniche sensibili alla singola particella. "Il nostro approccio è intrappolare la luce della sonda utilizzata per l'imaging all'interno di un risonatore ottico, dove circola decine di migliaia di volte. Ciò migliora l'interazione tra la luce e il campione, e il segnale diventa facilmente misurabile", spiega il dottor David Hunger, uno degli scienziati che lavorano all'esperimento. "Per un normale microscopio, il segnale sarebbe solo un milionesimo della potenza in ingresso, che è difficilmente misurabile. A causa del risonatore, il segnale viene potenziato di un fattore di 50000."

Al microscopio, costruito dal Dr. David Hunger e dal suo team, un lato del risonatore è costituito da uno specchio piano che funge contemporaneamente da vettore per le nanoparticelle in esame. La controparte è uno specchio fortemente curvo sull'estremità di una fibra ottica. La luce laser è accoppiata al risonatore attraverso questa fibra. Lo specchio piano viene spostato punto per punto rispetto alla fibra per portare passo passo la particella nel suo fuoco. Allo stesso tempo, la distanza tra i due specchi è regolata in modo tale che sia soddisfatta la condizione per la comparsa dei modi di risonanza. Ciò richiede una precisione nella gamma dei picometri.

Per le loro prime misurazioni, gli scienziati hanno utilizzato sfere d'oro con un diametro di 40 nanometri. "Le particelle d'oro servono come nostro sistema di riferimento, poiché possiamo calcolare con precisione le loro proprietà e quindi verificare la validità delle nostre misurazioni", afferma David Hunger. "Poiché conosciamo le proprietà ottiche del nostro apparato di misurazione in modo molto accurato, possiamo determinare quantitativamente le proprietà ottiche delle particelle dal segnale di trasmissione e confrontarlo con il calcolo". A differenza di altri metodi che si basano sul miglioramento diretto del segnale, il campo luminoso è limitato ad un'area molto piccola, tale che utilizzando solo la modalità fondamentale, si ottiene una risoluzione spaziale di 2 micron. Combinando modalità di ordine superiore, gli scienziati potrebbero persino aumentare la risoluzione a circa 800 nanometri.

Il metodo diventa ancora più potente quando sono state determinate contemporaneamente le proprietà assorbenti e dispersive di una singola particella. Questo è interessante soprattutto se le particelle non sono sferiche ma ad es. allungato. Quindi, le quantità corrispondenti dipendono dall'orientamento della polarizzazione della luce rispetto agli assi di simmetria della particella. "Nel nostro esperimento usiamo nanotubi d'oro (34x25x25 nm ³ ) e osserviamo come la frequenza di risonanza si sposti a seconda dell'orientamento della polarizzazione. Se la polarizzazione è orientata parallelamente agli assi dell'asta, lo spostamento della risonanza è maggiore che se la polarizzazione è orientata ortogonalmente, risultando in due diverse frequenze di risonanza per entrambe le polarizzazioni ortogonali" spiega Matthias Mader, Studente di dottorato all'esperimento. "Questa birifrangenza può essere misurata in modo molto preciso ed è un indicatore molto sensibile per la forma e l'orientamento della particella".

"Come applicazione del nostro metodo, potremmo pensare ad es. indagare le dinamiche temporali delle macromolecole, come la dinamica del ripiegamento delle proteine", afferma David Hunger. "Nel complesso vediamo un grande potenziale per il nostro metodo:dalla caratterizzazione di nanomateriali e nanosistemi biologici alla spettroscopia di emettitori quantistici".