Gli scienziati dell'Università ITMO hanno utilizzato una nanoparticella di silicio-oro agitata da un laser a impulsi nella banda IR come fonte efficace di luce bianca. Uno di questi "nanobulbi" è stato integrato in un microscopio a sonda standard, che ha permesso ai ricercatori di superare il limite di diffrazione ed esaminare oggetti di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda. La nuova tecnologia rende la moderna microscopia in campo vicino più economica e più semplice, ed è potenzialmente utile in medicina. Lo studio è stato pubblicato su Nano lettere .

Per esaminare un oggetto utilizzando un normale microscopio ottico, la luce visiva viene focalizzata mediante lenti speciali. Però, se l'oggetto è di dimensioni inferiori a una lunghezza d'onda, non può essere osservato in dettaglio. Questo è ciò che viene chiamato limite di diffrazione. Esistono oggi diverse tecnologie in grado di superare questo limite. Nella microscopia ottica in campo vicino, il campo elettromagnetico dell'oggetto viene misurato in campo vicino con un'apposita sonda in grado di interagire con il campo elettromagnetico localizzato e disperderlo nell'area dove può essere rilevato dai comuni rilevatori. Ma per ottenere informazioni su un oggetto con una risoluzione di lunghezza d'onda inferiore in un ampio spettro, i ricercatori spesso trascorrono ore a scansionare a diverse lunghezze d'onda fino a coprire l'intero spettro.

I ricercatori dell'Università ITMO hanno risolto questo problema utilizzando un cosiddetto "nanobulbo, " una sorgente luminosa in miniatura basata su una nanoparticella di silicio e oro. La sua caratteristica principale è che emette luce in una banda di lunghezze d'onda immensamente ampia, da 400 a 1, 000 miglia nautiche. Un singolo nanobulbo può registrare e analizzare contemporaneamente la risposta ottica di tutti i tipi di nanostrutture a lunghezza d'onda inferiore nell'intero spettro visibile. Ciò aumenta l'efficienza e la velocità della microscopia di diverse volte.

Per creare il nanobulbo, gli scienziati del Dipartimento di nanofotonica e metamateriali hanno stampato una nanoparticella di silicio e oro. Per farlo emettere fotoni, i ricercatori l'hanno acceso con un laser IR a femtosecondi. Gli elettroni hanno prima raggiunto livelli di energia più elevati, e poi scivolò verso il fondo della banda di conduzione del silicio, emettendo fotoni a diverse lunghezze d'onda.

"Silicio, un semiconduttore a gap non diretto, è un materiale scadente per la generazione di emissioni. In altre parole, se lo accendi con un laser, assorbirà forse un milione di fotoni ed emetterà solo uno. Ancora, è molto economico:puoi letteralmente farlo dalla sabbia. Ecco perché l'umanità aspira a trovare quante più applicazioni possibili nel fotovoltaico, microelettronica e altri campi. Abbiamo trovato un'applicazione inaspettata, utilizzando il suo principale svantaggio, il suo band-gap indiretto, per creare una sorgente di luce bianca di dimensioni nanometriche in grado di emettere fotoni di energia da 3,4 a 1,1 eV, "dice Sergei Makarov, ricercatore senior presso il Dipartimento di Nanofotonica e Metamateriali.

"Inoltre, al confine dell'oro e del silicio, emergono interfacce che forniscono una ricombinazione radiativa ancora migliore degli elettroni. Un sacco di meccanismi fisici che dobbiamo ancora ricercare sono al lavoro qui, quindi c'è molto lavoro teorico che dovremo fare per migliorare il nostro nanobulbo, compresa la creazione di un modello di emittanza, "dice Ivan Sinev, dottorato di ricerca studente presso l'Università ITMO.

Nota che un'altra caratteristica positiva del nanobulbo è che utilizza un laser a banda IR per generare luce visibile. Ciò significa che il "rumore" extra nel segnale ottico può essere rimosso filtrando la luce IR dissipata, che migliora l'efficacia con cui viene registrato il segnale effettivo.

Su suggerimento di Anton Samusev, ricercatore associato presso ITMO University, il nanobulbo è stato posizionato su una sonda comune di un microscopio a forza atomica utilizzando un metodo sviluppato da Ivan Mukhin e Filipp Komissarenko presso il Dipartimento di nanofotonica e metamateriali. La sonda ha permesso ai ricercatori di avvicinare la sorgente di luce visibile al materiale di prova, che amplificava notevolmente l'interazione dei campi vicini.

Il segnale di questa emissione viene registrato e separato su uno spettro utilizzando un normale spettrometro. Così, un nanobulbo può essere integrato in apparecchiature microscopiche standard. Può essere collegato a qualsiasi sonda e utilizzato per registrare i suoi segnali con normali fotorivelatori, il tutto ricevendo informazioni sul campo vicino di un nano-oggetto nell'intera banda dello spettro visibile. Così, le nanoparticelle di silicio-oro potrebbero rendere la microscopia più flessibile ed economica.

"Stiamo anche sviluppando l'idea di utilizzare il nanobulbo come nanolaser. Se mettiamo una particella del genere in un risonatore in grado di modificare la lunghezza operativa dell'onda, possiamo finire con un laser sintonizzabile, uno che può funzionare a qualsiasi lunghezza d'onda impostata nello spettro visibile. Inoltre, il nanobulbo può anche essere utilizzato in biologia per scopi quali l'illuminazione di cellule e la rilevazione di sostanze sensibili a particolari lunghezze d'onda, " aggiunge Sinev.