Per ottenere una visione ancora più profonda del più piccolo dei mondi, le soglie della microscopia devono essere ulteriormente ampliate. Scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e della TU Dresden, in collaborazione con la Freie Universität Berlin, sono riusciti a combinare per la prima volta due tecniche di misurazione consolidate:la microscopia ottica in campo vicino e la spettroscopia ultraveloce. La tecnologia assistita da computer sviluppata appositamente per questo scopo combina i vantaggi di entrambi i metodi e sopprime il rumore indesiderato. Ciò rende possibili riprese altamente precise di processi dinamici su scala nanometrica. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista di ricerca Rapporti scientifici .

Molti processi importanti ma complessi nelle scienze naturali e della vita, Per esempio, fotosintesi o superconduttività ad alta temperatura, devono ancora essere capiti. Da una parte, ciò è dovuto al fatto che tali processi avvengono su una scala di un milionesimo di millimetro (nanometro) e quindi non possono essere osservati dalle convenzionali immagini al microscopio ottico. D'altra parte, i ricercatori devono essere in grado di osservare con precisione i cambiamenti molto rapidi nelle singole fasi per comprendere meglio le dinamiche altamente complesse. Da decenni viene quindi promosso lo sviluppo di tecnologie temporali e spaziali ad alta risoluzione.

La nuova fotocamera di Dresda combina i vantaggi di due mondi:microscopia e spettroscopia ultraveloce. Consente misurazioni ottiche inalterate di dimensioni estremamente piccole, cambiamenti dinamici nel biologico, processi chimici o fisici. Lo strumento è di dimensioni compatte e può essere utilizzato per studi spettroscopici in una vasta area dello spettro elettromagnetico. Per le singole immagini è possibile selezionare incrementi di tempo da pochi quadrilionesimi di secondo (femtosecondi) fino al secondo intervallo. "Questo rende il nostro nanoscopio adatto alla visualizzazione di processi fisici ultraveloci e di processi biologici, che spesso sono molto lenti, " dice il Dr. Michael Gensch dell'HZDR.

La combinazione di due metodi garantisce un'elevata risoluzione spaziale e temporale

Il nanoscopio si basa sull'ulteriore sviluppo della microscopia in campo vicino, in cui la luce laser viene irradiata su un punto metallico ultrasottile. Questo crea una luce altamente concentrata - cento volte più piccola della lunghezza d'onda della luce, che altrimenti rappresenta il limite delle ottiche "normali" con lenti e specchi. "In linea di principio, possiamo usare l'intero spettro di lunghezze d'onda della microscopia in campo vicino, dall'ultravioletto alla gamma dei terahertz, " afferma la dott.ssa Susanne Kehr della TU Dresden. "La luce focalizzata fornisce energia al campione, creando una speciale interazione tra il punto e il campione in quello che è noto come campo vicino. Osservando la porzione retrodiffusa della luce laser, si può ottenere una risoluzione spaziale nell'ordine della grandezza del campo vicino, questo è, nella gamma dei nanometri." Questa tecnologia, noto come SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy), viene in genere utilizzato solo per l'imaging di condizioni statiche.

L'utilizzo della spettroscopia ultraveloce è lo strumento cruciale, d'altra parte, consentendo agli scienziati di studiare processi dinamici su tempi brevi e con estrema sensibilità. La risoluzione spaziale ha, fino ad ora, stato limitato alla gamma del micrometro tuttavia. Il principio in tali esperimenti di pump-probe che funzionano, Per esempio, con la luce, impulsi di pressione o di campo elettrico è la seguente:mentre un primo impulso eccita il campione in esame, un secondo impulso monitora la variazione nel campione. Se il tempo tra di loro è variato, le istantanee possono essere scattate in momenti diversi, e un film può essere assemblato. Una correzione intelligente degli errori di misura porta all'elevata sensibilità della procedura spettroscopica. L'attivazione da un impulso di eccitazione significa un tipo di disturbo per l'intero sistema di campionamento, che deve essere filtrato in modo da eliminare il rumore o lo "sfondo". Ciò si ottiene sondando il campione non perturbato con un secondo impulso di riferimento direttamente prima dell'eccitazione. Finora questa particolare tecnologia non poteva essere combinata con la microscopia ottica in campo vicino. Per la prima volta, i team guidati dai due fisici di Dresda sono riusciti a combinare tutti i vantaggi di entrambi i metodi nel loro nanoscopio.

"Abbiamo sviluppato un software con una speciale tecnologia di demodulazione con la quale, oltre all'eccezionale risoluzione della microscopia ottica in campo vicino che è di almeno tre ordini di grandezza migliore della risoluzione della comune spettroscopia ultraveloce, ora possiamo anche misurare la dinamica cambiamenti nel campione con alta sensibilità, " spiega Kehr. Il metodo elettronico intelligente consente al nanoscopio di registrare esclusivamente solo i cambiamenti che si verificano effettivamente nelle proprietà del campione a causa dell'eccitazione. Sebbene altri gruppi di ricerca abbiano riportato solo di recente una buona risoluzione temporale con i loro nanoscopi, non potevano, però, ottenere questa importante modalità di correzione. Un ulteriore vantaggio della soluzione di Dresda è che può essere facilmente integrata nei microscopi a campo vicino esistenti.

Universale sotto ogni aspetto

"Con la notevole copertura della lunghezza d'onda del nostro nanoscopio, i processi dinamici possono essere studiati con le lunghezze d'onda più adatte allo specifico processo in esame. Questo è un passo importante nella comprensione di questi processi. I nostri colleghi della Freie Universität Berlin hanno, Per esempio, l'ambizioso sogno di tracciare i cambiamenti strutturali durante il fotociclo di una singola proteina di membrana a specifiche lunghezze d'onda nello spettro infrarosso, " dice Gensch. Insieme al collega di TU, Susanne Kehr, ha dimostrato il nuovo metodo su un sistema di campioni noto, uno strato semiconduttore di silicio e germanio. "Se avessimo usato un campione sconosciuto per la dimostrazione, non saremmo stati in grado di interpretare correttamente la funzionalità del nostro approccio, "Kehr sottolinea.

Il nanoscopio di Dresda è universalmente adattabile alle rispettive questioni scientifiche. Le lunghezze d'onda dell'impulso della sonda possono, in linea di principio, raggiungere dalla gamma bassa di terahertz alla gamma ultravioletta. Il campione può essere stimolato con laser, pressione, impulsi di campo elettrico o magnetico. Il principio è stato testato all'HZDR su un tipico laser da laboratorio e sul laser a elettroni liberi FELBE. Primi test sulla nuova sorgente terahertz TELBE, che fornisce impulsi di campo elettrico e magnetico estremamente brevi per l'eccitazione, sono in preparazione. "Nel futuro, non solo vedremo quanto velocemente si verifica un processo, ma possiamo anche localizzare meglio dove avviene esattamente nel campione. Questo è particolarmente importante per la nostra struttura TELBE, che entrerà in funzione il prossimo anno, " spiega Michael Gensch, responsabile del progetto TELBE presso l'HZDR.