Желая рассмотреть мельчайшие частицы, мы сталкиваемся с фундаментальным препятствием, установленным самой природой света. Поскольку свет ведет себя как волна, при его фокусировании рано или поздно возникает явление дифракции. В результате обычные оптические микроскопы не позволяют увидеть структуры, которые значительно меньше длины волны света. Таким образом, основные элементы вещества остаются за пределами прямого оптического наблюдения.

Исследователи из Регенсбургского центра сверхбыстрой наноскопии (Германия) совместно с коллегами из Бирмингемского университета (Великобритания) нашли новый способ преодоления этого ограничения, пишет Phys. Используя стандартные лазеры непрерывного излучения, они достигли оптических измерений на расстояниях, сравнимых с промежутками между отдельными атомами. Для этого они поднесли острую металлическую иглу чрезвычайно близко к поверхности изучаемого материала — зазор между ними составил менее диаметра одного атома. Лазерное излучение «сжимается» в этом нанометровом зазоре и концентрируется на острие, что позволяет обойти дифракционный предел и достичь пространственного разрешения порядка 10 нм — радиуса кривизны кончика иглы.

Хотя и это уже огромный шаг вперед по сравнению с обычными методами, такое разрешение все еще примерно в 30 раз меньше, чем нужно для наблюдения атомарных деталей. Поэтому команда продолжила приближать острие к поверхности, чтобы найти абсолютный предел разрешения.

Настоящим сюрпризом стало для ученых осознание, что они могут наблюдать детали атомов с разрешением вплоть до 0,1 нм.

Объяснение неожиданного эффекта лежит в области квантовой механики. Хотя острие и поверхность не соприкасаются в классическом смысле, электроны могут туннелировать между ними. Непрерывно осциллирующее электрическое поле инфракрасного света заставляет электроны двигаться между иглой и образцом. Подобно электронам в радиоантенне, это движение создает слабый электромагнитный сигнал — и исследователям удалось детектировать это «ближнеполевое оптическое туннельное излучение».

«Замечательно, что всего один электрон, перемещающийся на расстоянии меньше размера атома каждые сто циклов света, уже может производить свет, достаточно сильный, чтобы мы могли его обнаружить», — отмечает Том Сидей, один из исследователей. По этому излучению можно с атомарной точностью измерить движение электронов и такие свойства материала, как проводимость.

Важно также то, что эффект достигается с помощью стандартного лазера непрерывного излучения, а не более мощных и дорогих сверхбыстрых лазеров, что делает технологию доступной для лабораторий.

В будущем этот подход позволит ученым установить, как вещества взаимодействуют со светом на уровне отдельных атомов, и понять то, как микроскопические процессы определяют макроскопические свойства веществ.

Команде ученых из Швейцарии удалось изменить полярность специального ферромагнетика с помощью лазерного импульса. В будущем этот метод может быть использован для создания адаптируемых электронных схем, управляемых светом.