Atomik görüntüler yakalayabilen ilk optik mikroskop geliştirildi

Deniz Çakmak

Haber Editörü

Atomik görüntüler yakalayabilen ilk optik mikroskop geliştirildi — Mikroskoplar, bildiğiniz gibi hücrelerden virüslere kadar çok küçük ölçekteki nesneleri incelemek için uzun yıllardır bilim insanları tarafından kullanılıyor. Ancak en güçlü optik mikroskoplar bile temel bir fizik kuralı olan kırınım sınırı nedeniyle, yaklaşık **200 nanometreden** daha küçük yapıları net bir şekilde görüntüleyemiyor.

Bu fiziksel sınırlama, ışığın tek bir atom ya da molekülle nasıl etkileştiğini doğrudan gözlemlemeyi uzun süre engelledi. Oysa bu tür gözlemler, malzeme bilimi, elektronik ve kuantum teknolojileri için büyük önem taşıyor.

Işığın atom düzeyindeki davranışı artık gözlemlenebiliyor

Şimdi, uluslararası bir araştırmacı ekibi bu zorluğun üstesinden geldi. Geliştirdikleri yeni görüntüleme yöntemi “ULA-SNOM” (ultra düşük uç salınım genlikli saçılma tipi yakın alan optik mikroskopi) ile, ışık kullanarak sadece bir nanometre büyüklüğündeki ayrıntıları çözümlemeyi başardılar. Başka bir deyişle, bilim insanları artık ışığın atom ölçeğinde nasıl davrandığını doğrudan gözlemleyebiliyor; ki bu, bugüne kadar yalnızca elektron mikroskoplarıyla mümkün olabileceği düşünülen bir başarıydı.

Bu buluş, maddenin en temel düzeydeki yapısını incelememizi sağlayarak, güneş panellerinden kimyasal reaksiyonların anlaşılmasına kadar pek çok alanda devrim yaratabilir.

Araştırmacılar, bu yüksek çözünürlüğe ulaşmak için halihazırda var olan bir tekniği, saçılma tipi taramalı yakın alan optik mikroskopisi (s-SNOM) yöntemini temel aldılar. Bu yöntemde, keskin bir metal uç lazerle aydınlatılır ve bir malzemenin yüzeyi boyunca taranır. Yüzeyden saçılan ışık, nano düzeydeki yapılar hakkında bilgi verir. Ancak klasik s-SNOM sistemleri, en fazla 10 ila 100 nanometre çözünürlük sunar; bu da atomları görüntülemek için bu yeterli değil.

Yeni teknik: ULA-SNOM

Araştırmacılar, geliştirdikleri ULA-SNOM yöntemi ile ucu yalnızca 0.5 ila 1 nanometre arasında çok küçük bir salınımla hareket ettirmeyi başardılar. Bu yöntemde uç, yalnızca 0,5 ila 1 nanometrelik bir genlikle, yani yaklaşık üç atom genişliğinde salınıyor. Bu kadar hassas bir hareket, hem yeterli optik sinyali almayı mümkün kıldı hem de atomik düzeyde detayları çözebilmeyi sağladı. Daha büyük salınımlar çözünürlüğü düşürürken, daha küçük salınımlar sinyal gürültüsünü artırıyordu.

Uç, odaklanmış iyon demeti kullanılarak dikkatle şekillendirilmiş ve cilalanmış gümüşten üretildi. 633 nanometre dalga boyunda ve 6 miliwatt gücünde görülebilir kırmızı bir lazer, bu uca yöneltilerek “plazmonik boşluk” adı verilen bir olgu oluşturuldu. Bu boşluk, ışığın atomik düzeyde malzemeyle etkileşime girmesini sağladı.

Bu hassas düzeni sabit tutmak için deney, ultra yüksek vakum altında ve −265°C (8 Kelvin) gibi çok düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirildi. Bu koşullar titreşimleri ve yüzey kirlenmelerini ortadan kaldırarak ucu yüzeye yalnızca bir nanometre mesafede kararlı şekilde tutabildi. Ayrıca arka plan ışığını filtrelemek ve gerçek sinyali güçlendirmel için “kendi kendine homodin tespit” adlı özel bir teknik kullanıldı. Böylece elde edilen optik veriler çok daha net hale geldi.

Ekip, sistemlerini test etmek için gümüş yüzey üzerine yerleştirilmiş tek atom kalınlığındaki silikon adacıklarını inceledi. Silikon katmanları sadece bir atom yüksekliğinde olmasına rağmen, mikroskop hem silikon ile gümüş arasındaki sınırı hem de her iki malzemenin ışığa verdiği tepkileri net bir şekilde gösterebildi. Bu da mikroskobun yalnızca şekil değil, aynı zamanda malzemenin optik özelliklerindeki farklılıkları da atomik düzeyde görüntüleyebildiğini kanıtladı.

Bilim insanları, uzamsal çözünürlüğü, atom ölçeğinde yüzeyleri görüntülemek için kullanılan güçlü bir cihaz olan geleneksel bir STM (taramalı tünelleme mikroskobu) görüntüleriyle karşılaştırdığında, ULA-SNOM’un yaklaşık 1 nanometre çözünürlükle aynı detay seviyesini sunduğu ortaya çıktı. Bu değer, STM’nin sağladığı 0.9 nanometrelik çözünürlüğe çok yakın.

Bir atomun, malzemenin optik davranışını nasıl değiştirdiği ilk kez görüntülendi

Araştırmacılar, ilk kez tek bir atomun veya kusurun bir malzemenin optik davranışını nasıl etkilediğini net bir şekilde görebildiler. Bu gelişme, nano yapılar tasarlamak, yeni fotonik malzemeler keşfetmek ya da daha verimli güneş pilleri üretmek gibi birçok alanda büyük potansiyel sunuyor. Ayrıca bu teknik sayesinde artık kuantum noktaları, tek moleküllü sensörler veya biyolojik yapılar da atomik düzeyde incelenebilir hale geliyor.

Yine de, ULA-SNOM’un uygulanması bazı zorluklar içeriyor. Yöntem, kriyojenik soğutma, ultra yüksek vakum, özel şekillendirilmiş metal uçlar ve çok hassas lazer sistemleri gerektiriyor. Bu nedenle şimdilik sadece ileri düzey araştırma laboratuvarlarında kullanılabiliyor. Gelecekte yapılacak çalışmaların, bu yöntemin daha pratik, erişilebilir ve yaygın hale getirilmesine odaklanması bekleniyor.

Kaynakça https://scienceblog.com/microscope-sees-light-at-the-atomic-scale-for-first-time/ https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1415