مولفه‌هایی که تنها چند نانومتر پهنا دارند، بخش اصلی قطعات ارتباطی نسل آینده خواهند بود. در پژوهش‌ جدید، از نور مرئی توسعه‌یافته‌ای برای جاگذاری چنان اشیایی با دقت کمتر از یک آنگستروم استفاده شده است. این روش بر اساس ضربه‌زدن به جسم نانو با نور لیزری است که الگوی قطبش دقیقی داشته و سپس به مشاهده‌ی نور پراکنده شده می‌پردازد. فراتر از نانوفناوری، این تکنیک می‌تواند به ابزاری در سیستم‌های پایدارسازِ موقعیت در میکروسکوپ‌ها و فناوری‌های مرتبط منجر شود.

این مطلب کاملاً معقول است که اگر از نور برای اندازه‌گیری موقعیت چیزی استفاده کنیم، طول موج نور یک محدودیت مهم بشمار می‌رود. اما استثنائاتی وجود دارد. دو سال پیش تیمی به رهبری پیتر بانزر (Peter Banzer ) از موسسه ماکس پلانک برای علوم نور (MPL) در آلمان گزارشی ارائه کرده بودند که نشان می‌داد اعضای این تیم توانسته‌اند از نور مرئی با قطبش مشخصی استفاده کنند تا جابجایی‌های در مقیاس آنگستروم را برای کره‌ای ۱۰۰ نانومتری اندازه‌گیری کنند، حتی اگر طول موج نور چند صد نانومتر باشد [1]. آزمایش آنها بر مبنای نظریه‌ای است که در دهه 1980 توسط میلتون کرکر (Milton Kerker) در کالج تکنولوژی کلارکسون در نیویورک توسعه یافته بود.

کرکر نشان داده است که پراکندگی نور معمولی با قطبش خطی از ذره‌ای که بسیار کوچکتر از طول موج است، می‌تواند اثرات قابل توجه و قابل مشاهده‌ای را ایجاد کند. او اندرکنش‌ اجزای الکتریکی و مغناطیسی یک پرتو نور با یک کره کوچک و غیر مغناطیسی ساخته شده از ماده‌ای که به طور مشابه به میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی پاسخ می دهد، را بررسی کرده است. وی دریافت که نور می‌تواند طبق الگویی بسیار نامتقارن پراکنده شود، به عنوان مثال، تمامی نور رو به جلو حرکت کرده و چیزی به عقب بازنگردد. بنزر و همکارانش با تکیه بر ایده‌های کرکر ایده‌ی جدیدی را مطرح کرده‌اند: پرتو لیزری آن‌ها بشدت متمرکز شده و به طور شعاعی قطبی شده است، به این معنی که خطوط میدان الکتریکی در جهت شعاعی و در جهت سطح مقطع پرتو است؛ مثل میله‌های یک چرخ. آنها در آزمایش‌های اولیه نشان دادند که الگوی پراکندگی نامتقارنِ عمود بر پرتو (پراکندگی کرکر عرضی) با جابجایی‌های کوچک نانوذره تغییر می کند [1].

این تیم در آخرین کار خود، یک مدل نظری را توسعه داده‌اند که به آنها این اجازه را می‌دهد تا بهترین الگوی طول موج و قطبش را برای این اثر انتخاب کرده و دقت زیر آنگسترومی را به اثبات برسانند. در این آزمایش، آنها پرتو لیزری را به‌شدت بر روی یک کره‌ی سیلیکونی با قطر 156 نانومتر که با پوسته نازک دی اکسید سیلیکون پوشید شده است، متمرکز کردند. سپس از یک دوربین CCD برای تصویرسازی از الگوی شدت نور استفاده کرده‌اند که در اثر کره، به ناحیه‌ای به شکل حلقه تغییر مسیر داده است. وقتی که آنها کره را چند نانومتر به دور از مرکز حرکت داده‌اند، الگوی متقارن دایروی، نامتقارن شده است. این عدم‌ تقارن با استفاده از طول موج حدود 640 نانومتر برای نور قطبیده‌ی شعاعی و در حدود 545 نانومتر برای قطبش زاویه‌ای (که در آن خطوط میدان الکتریکی دایره‌هایی را در سطح مقطع پرتو تشکیل می‌دهند) به بیشینه مقدار خود می‌رسد، که با پیش‌بینی‌های نظری تیم هم‌خوانی دارد. آنها همچنین دریافتند که استفاده از قطبش زاویه‌ای این فناوری را نسبت به جابجایی با قطبش شعاعی حساس‌تر می‌سازد.

خط‌کش نانوذره. در این فناوریِ اندازه‌گیری، نور زرد لیزر از سمت بالا تابیده می‌شود و بر روی نانوذره‌ی کروی متمرکز می‌شود. قطبش این نور در این مثال زاویه‌ای است، یعنی بردارهای میدان الکتریکی (فلش‌ها) دایره‌ای را تشکیل می‌دهند که حول پرتو قرار می‌گیرد. اینجا ذره در سمت راست مرکز قرار دارد که به پراکندگی عرضی نامتقارن (سطوح بنفش‌رنگ) منجر می‌شود که در سمت راست تصویر قوی‌تر است. تحلیل الگوی شدت پراکندگی، اندازه‌ای از فاصله‌ی ذره از مرکز پرتو را فراهم می‌کند.

برای مطالعه‌ی محدودیت‌های این فناوری، این تیم ذره را در گام‌های 2 نانومتری و در سطح 40 نانومتر در 40 نانومتری (حول مرکز پرتو) حرکت داده‌ و به مشاهده‌ی تغییرات الگوی پراکندگی نور پرداخته‌اند. با این حال، دقت اندازه‌گیری موقعیت موردنظر، کمتر از یک ‌آنگستروم، بسیار بهتر از دقت قطعه‌ی موقعیت یاب آن‌ها بود. بعلاوه، این آزمایش در دمای اتاق انجام شد که موجب ایجاد جرقه حرارتی تا 4 نانومتر می‌شود.

راه حل این مشکلات، انجام اندازه‌گیری‌های زیاد بود تا بتوان جفت‌الگوهای شدت پراکندگی در مکان‌های مختلف را با تفریق یک تصویر از تصویر دیگر، مقایسه کرد. تعداد بسیار زیادی از پیکسل‌ها در هر تصویر، همراه با تعداد زیادی از تصاویر، داده‌های کافی برای اندازه‌گیری اختلاف در موقعیت ذرات (بین یک جفت تصویر) به کوچکیِ سه آنگستروم، با دقت اندازه‌گیری 0.6 آنگستروم را فراهم می‌کند.

به گفته‌ی مارتین نایبابوئر (Martin Neugebauer) عضو تیم MPL، حتی دستیابی به دقت بالاتر نیز امکان‌پذیر است. «ما فقط از یک دوربین عادی CCD استفاده کردیم؛ اگر یک آشکارساز بسیار خوب و نور زیادی داشته باشید، می توانید دقت را بالا برده و حتی جابجایی‌های کوچکتری را نیز اندازه‌گیری کنید».

لورنزو مروتیچی (Lorenzo Marrucci) فیزیکدان اپتیک از دانشگاه ناپل در فدریکوی دوم، می‌گوید: این روشِ جدید نمونه‌ای درخشان از تعیین موقعیت با دقت کوچک‌تر از طول موج نور است. وی تحت تاثیر توانایی این سیستم برای ردیابی حرکت سریع یک ذره قرار گرفته است. به گفته او: « ممکن است برای این سیستم کاربردهای بسیار زیادی در زمینه‌های درحال توسعه‌ی نانومکانیک وجود داشته باشد».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

منبع:

How to Locate a Nanoparticle with Sub-angstrom Precision

مراجع:

1. M. Neugebauer, P. Woźniak, A. Bag, G. Leuchs, and P. Banzer, “Polarization-controlled directional scattering for nanoscopic position sensing,” Nat. Commun. 7, 11286 (2016).