Разглядеть невидимое

Как разглядеть химические связи между атомами, чем частицы золота похожи на подшипники и молниеотводы, как работает оптический резонатор и почему сложно создавать нано-отражатели, разобрался Indicator.Ru.

На протяжении долгого времени ученые были уверены, что все виды волн, в том числе и световые, не могут быть сфокусированы в точке, диаметр которой меньше, чем длина волны, то есть меньше одной миллионной части метра. Однако международная команда исследователей смогла создать самое маленькое увеличительное стекло в мире. Через него получилось сфокусировать свет в миллиард раз сильнее, достигая масштаба отдельных атомов. С подробными результатами исследования можно ознакомиться в журнале Science.

Мал золотник, да дорог

Ученые из Кембриджского университета в сотрудничестве со специалистами из Испании использовали наночастицы золота с высокой теплопроводностью и изготовили крошечный оптический резонатор. Его размер настолько мал, что он сопоставим с размером молекулы.

Обычный оптический резонатор представляет собой совокупность нескольких отражающих элементов, в которых формируется стоячая световая волна. Между отражающими элементами находится полость. Полость резонатора, созданного учеными в ходе последнего исследования, является неровностью наноструктуры золота размером в один атом (ее даже назвали пико-полость, то есть равной триллионной части исходной единицы) и удерживает световую волну до одной миллиардной метра.

Разработка открывает новые пути для изучения взаимодействия света и материи, в том числе и возможность модифицирования молекул в полости благодаря различным химическим реакциям. Все это способствует развитию новых типов датчиков и сенсоров.

Замороженная стабильность

По словам исследователей, во время работы наиболее сложным оказалось создать наноструктуру с ограничением в один атом. «Мы должны были охладить наши образцы до –260°C, чтобы заморозить движение атомов золота», — рассказал Феликс Бенц, ведущий автор исследования. При комнатной температуре атомные полости нестабильны, и криогенные температуры — единственное, что может поддерживать функционирование резонатора. Ученые светили лазером на материал, чтобы создать в нем пико-полости (ее размер составляет один кубический нанометр). Это позволило физикам следить за движением каждого атома и за химическими связями в режиме реального времени.

Молниеотвод или шарикоподшипник?

«Предполагалось, что отдельные атомы, выступающие на поверхности модели резонатора, могут служить крошечными молниеотводами, только вместо электричества они бы отражали свет», — прокомментировал профессор Хавьер Айспуруа из Центра физики материалов в Сан-Себастьяне, который отвечал за теоретическую часть работы. Его коллега, профессор Джереми Баумберг из Центра нанофотоники в лаборатории Кавендиша Кембриджского университета, дополнил: «Даже отдельные атомы золота ведут себя подобно миниатюрным металлическим шарикоподшипникам, использованным нами для проведения экспериментов, в ходе которых мы наблюдали за хаотичным перемещением электронов, притом что обычно электроны привязаны к ядру и такое движение им несвойственно».

У новой технологии большой потенциал для создания новых оптико-механических устройств, записывающих и хранящих информацию. Данные на таких устройствах могут сохраняться в виде молекулярных колебаний, а считываться — благодаря световым волнам.