No electrons needed: This optical microscope sees atoms at one-nanometer resolution
Researchers have developed a novel imaging technique called ULA-SNOM, which involves a silver scanning tip placed in ultra-high vacuum and ultra-cold temperature conditions, to detect the finest structural details of a single atom.
https://interestingengineering.com/science/optical-microscope-captures-atom-nanometer-precision
이 광학 현미경은 1나노미터 분해능으로 원자를 관찰
빛을 원자 크기로 축소
원자 수준에서 이미지 캡처
* 나노 해상도 one-nanometer resolution
1 나노미터(nm)는 10억분의 1미터로, 원자나 분자의 크기 수준입니다.
나노 해상도란 이처럼 매우 작은 단위까지 구분할 수 있는 이미징(영상화) 또는 측정 기술의 해상도를 말합니다.
전자가 필요 없습니다. 이 광학 현미경은 1나노미터 분해능으로 원자를 관찰합니다.
연구자들은 ULA-SNOM이라는 새로운 이미징 기술을 개발했습니다. 이는 초고진공 및 초저온 온도 조건에 놓인 은 스캐닝 팁을 사용하여 단일 원자의 가장 미세한 구조적 세부 사항을 감지하는 것입니다.
현미경은 오랫동안 과학자들의 보이지 않는 세계를 들여다보는 눈 역할을 해왔습니다. 활기 넘치는 세포부터 바이러스, 나노 크기의 구조까지 모든 것을 밝혀냈죠.
하지만 아무리 강력한 광학 현미경이라도 회절 한계라는 근본적인 물리 법칙에 의해 제약을 받아왔습니다. 200나노미터보다 작은 입자는 명확하게 볼 수 없었죠. 200나노미터는 너무 커서 단일 원자를 포착하기에는 너무 작았습니다.
이러한 한계는 재료 과학, 전자공학, 그리고 양자 연구 발전에 중요한 진전인 빛이 개별 원자나 분자와 어떻게 상호작용하는지 관찰하는 데 걸림돌이 되어 왔습니다.
이제 국제 연구진이 이러한 난관을 극복했습니다. ULA-SNOM(초저선량 팁 진동 진폭 산란형 주사 근거리 광학 현미경)이라는 새로운 이미징 기술을 개발했습니다 . 이 기술은 빛으로 개별 원자를 관찰할 수 있을 만큼 작은 1나노미터 크기의 입자도 광학적으로 분해할 수 있습니다.
간단히 말해, 과학자들은 단일 원자 수준에서 빛이 거동하는 것을 관찰할 수 있는 광학 현미경을 개발했습니다. 이는 한때 전자 기반 현미경 도구로만 가능하다고 생각되었던 업적입니다.
빛을 원자 크기로 축소
기존 광학의 분해능 한계를 극복하기 위해 연구팀은 산란형 주사 근접장 광학 현미경 (s-SNOM) 이라는 기술을 개발했습니다 . s-SNOM에서는 날카로운 금속 팁에 레이저를 조사하여 재료 표면을 스캔합니다.
빛은 표면에서 나노 크기의 세부 사항을 드러내는 패턴을 형성하며 산란됩니다. 그러나 일반적인 s-SNOM 구성은 약 10~100나노미터 의 해상도만 달성합니다 . 이는 원자 수준의 이미징에는 너무 큽니다.
연구진은 새로운 접근법인 ULA-SNOM을 사용하여 스캐닝 팁의 움직임을 놀라울 정도로 미세한 수준으로 줄이는 데 성공했습니다. 이 방법에서 팁은 0.5~1나노미터의 진폭으로 진동하는데, 이는 원자 세 개의 너비와 같습니다.
이 정밀한 움직임은 광 신호를 포착할 만큼 충분히 크지만, 미세한 구조적 세부 사항까지 감지할 만큼 충분히 작은 것으로 밝혀졌습니다. 진폭이 커지면 광학 해상도가 떨어지고, 진폭이 작아지면 신호에 잡음이 쌓이게 됩니다.
팁 자체는 광택이 나는 은으로 만들어졌으며, 매끄럽고 안정적인 표면을 위해 집속 이온 빔을 사용하여 정밀하게 성형되었습니다. 파장 633나노미터, 출력 6밀리와트의 가시광선 적색 레이저가 팁에 조사되어 플라즈모닉 공동이라는 현상이 발생했는데, 이는 팁과 샘플 표면 사이에 형성되는 작고 밀폐된 빛 주머니입니다.
이 공동은 1입방 나노미터 크기의 부피로 압축되어 단일 원자 수준에서 물질과 상호작용할 수 있었습니다. 이 섬세한 구조를 안정적으로 유지하기 위해 전체 실험은 초고진공과 8켈빈(-265°C) 의 극저온에서 수행되었습니다 .
이러한 극저온 조건은 진동과 오염을 제거하여 팁이 표면에서 단 1나노미터 위에 정확하게 위치하도록 했습니다. 그런 다음, 배경광을 걸러내고 실제 신호를 향상시키기 위해 연구팀은 자가 호모다인 검출(self-homodyne detection) 이라는 특수 방법을 사용하여 광학 데이터를 더욱 선명하고 신뢰할 수 있게 만들었습니다. 이 시점에서 ULA-SNOM 현미경 장비는 테스트 준비가 완료되었습니다.
원자 수준에서 이미지 캡처
연구팀은 ULA-SNOM 장비를 사용하여 은 표면 위에 놓인 단일 원자 두께의 실리콘 섬들을 이미지화했습니다. 이 실리콘 층들이 원자 하나 높이에 불과했음에도 불구하고, 현미경은 실리콘이 끝나고 은이 시작되는 지점을 명확하게 보여주었습니다. 단순히 모양뿐만 아니라 각 물질이 빛에 어떻게 반응하는지까지 확인할 수 있었습니다.
이 장치는 광학 신호와 함께 내장된 주사터널링현미경(STM) 과 원자력현미경 기능을 사용하여 전기 전도도와 기계적 힘도 측정했습니다.
더욱이, 연구팀은 팁이 다양한 진동 주파수(고조파)에서 어떻게 반응하는지 분석함으로써 다양한 소스에서 발생하는 신호를 분리할 수 있었습니다. 특히 제4고조파는 재료 간 광학적 거동의 가장 뚜렷한 차이를 보여주었습니다.
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과학자들이 ULA-SNOM의 공간 분해능을 원자 수준에서 표면을 이미징하는 데 사용되는 강력한 장비인 기존 STM의 공간 분해능과 비교했을 때, ULA-SNOM의 광학 이미지가 약 1나노미터로 기존 STM의 해상도와 거의 동일한 수준임을 확인했습니다. 이는 STM의 0.9나노미터 분해능과 거의 동일합니다.
연구진은 이를 통해 단일 원자 또는 결함이 재료의 광학적 거동에 어떤 영향을 미치는지 처음으로 명확하게 파악할 수 있었습니다. 이러한 개발은 전자 장치의 나노 구조 정밀 설계, 새로운 광자 재료 발견 , 또는 빛을 더 효율적으로 흡수하는 더 나은 태양 전지 개발로 이어질 가능성이 있습니다.
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