Исследователи работают со все более маленькими объектами. Им необходимо точно знать, например, как разрываются связи между молекулами белка при нагреве, или как ведут себя органеллы клетки при воздействии света. Для этого нужны точные и разнообразные оптические инструменты для визуализации процессов. Ведь иногда получать изображение необходимо прямо во время эксперимента.

Поэтому ученые постоянно ищут способы улучшить, удешевить или упростить технологию создания подходов для оптической микроскопии и спектроскопии. В том числе при помощи лазерной микроскопии и спектроскопии, где изображение получается за счет того, что объект облучается интенсивным электромагнитным излучением вблизи оптически резонансных наноструктур, а прибор детектирует то, как молекула реагирует на это излучение, переизлучая свет на новых частотах.

«Для этого мощный лазер светит на наноструктры из металлических или полупроводниковых частиц, ― рассказывает младший научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Георгий Зограф. ― В зазорах между ними возникает локализация электромагнитного поля, которое и усиливает излучение от исследуемого объекта, к примеру, молекулы белка или любого вещества с уникальным оптическим спектром. Есть методики спектроскопии и микроскопии ближнего электромагнитного поля при помощи металлических зондов, которую показали наши коллеги в 2015 году. Там зонд детектирует ближнее электромагнитное поле, находясь в нескольких десятках нанометров от наноструктур. Но такая “ближнепольная” методика довольно чувствительна к механическим вибрациям, а также довольно времязатратная, и поэтому годится не для всех практических применений».

Георгий Зограф
Георгий Зограф

Треугольная структура

Ученые Университета ИТМО предложили способ упростить метод оптической микроскопии и визуализации локальных электромагнитных полей за счет комбинационного рассеяния. Они взяли три кремниевых нанодиска и расположили их углом. За счет такого расположения облучаемых частиц электромагнитное поле между ними заметно усиливается. Поэтому лазерный источник может быть не столь сильным, а кроме того, отпадает необходимость держать его в непосредственной близости от кремниевых частиц (как, например, зонд в ближнепольной спектроскопии). При этом точность исследования не должна упасть.

«Своим подходом мы позволяем быстро и удаленно, используя лишь лазер и точное позиционирование, изучать оптический отклик системы при помощи  комбинационного рассеяния света. Комбинационное рассеяние представляет собой переизлучение света веществом на длинах волн, соответствующих уникальному набору колебаний атомов (например, фононам в кристаллах). В итоге, рассеянный свет может либо приобрести энергию от этих колебаний, либо потерять энергию, равную энергии колебаний. В результате, спектральные особенности рассеянного света отличаются от спектра используемого лазера. По спектральным особенностям и усилению интенсивности этого комбинационного рассеяния можно судить о резонансных свойствах наноструктур или о химическом составе соединений, ведь у каждого материала свой уникальный спектр комбинационного рассеяния», ― объясняет Георгий Зограф.

Упрощение метода оптической микроскопии за счет эффекта комбинационного рассеяния света. Иллюстрация из статьи. Источник: onlinelibrary.wiley.com
Упрощение метода оптической микроскопии за счет эффекта комбинационного рассеяния света. Иллюстрация из статьи. Источник: onlinelibrary.wiley.com

У используемой наноструктуры  есть также и другое преимущество. Меняя лишь только поляризацию падающего света, ученые могут последовательно возбуждать либо одну пару нанодисков, либо другую. За счет этого ученые могут селективно исследовать процессы, происходящие в разных точках образца с высоким пространственным разрешением. Что также открывает перспективы для более комплексного исследования химических и физических процессов на наноуровне.

«В моих экспериментах я использовал достаточно сильный объектив и платформу для наноскопического перемещения образцов, чтобы воспроизвести карту ближнего поля вокруг исследуемой наноструктуры. Удивительно, что полученная мною карта сигнала комбинационного рассеяния соответствовала нашим теоретическим расчетам даже лучше, чем стандартный “ближнепольный” метод оптической микроскопии. Я провел множество измерений от различных наноструктур и поляризаций, чтобы достичь полной уверенности, что наш новый метод достаточно эффективен и универсален для дальнейшего применения», ― добавляет Георгий Зограф.

Приглашение коллег

Advanced Photonics Research. Источник: onlinelibrary.wiley.com
Advanced Photonics Research. Источник: onlinelibrary.wiley.com

Исследование ученых было опубликовано в новом журнале Advanced Photonics Research известного международного издательства John Wiley & Sons. Редакционная коллегия запускаемого издания специально пригласила петербургских ученых поучаствовать в одном из первых выпусков.

«Приглашение опубликоваться в первом выпуске столь перспективного научного журнала является признанием того, что исследования ученых в Университете ИТМО задают тон мировой науки. Действительно, каждый новый журнал хочет заработать себе безупречную репутацию за счет высококачественных статей от ведущих исследовательских центров. Редакция журнала представляет собой именитых ученых из стран-лидеров в области физики, которые тщательно отбирают каждую статью. Например, несмотря на приглашенный статус нашей работы, она подверглась нескольким кругам рецензирования от специалистов в данной области, что несомненно улучшило ее качество», ― объясняет главный научный сотрудник Университета ИТМО Сергей Макаров.

Сергей Макаров
Сергей Макаров

Также представитель Университета ИТМО и соавтор исследования Сергей Макаров стал членом консультационного совета (Advisory Board) при журнале. В дальнейшем в его функции будет входить помощь в рецензировании статей, отбор авторов для приглашения к публикации, участие в формировании тематик для спецвыпусков, а также расширение географии авторов и читателей журнала. Ключевой задачей редколлегии и членов консультационного совета журнала является его развитие до уровня наиболее авторитетных журналов в области фотоники.  

George Zograf, Kseniia Baryshnikova,  Mihail Petrov, Sergey Makarov. Enhanced Raman Scattering for Probing NearField Distribution in AllDielectric Nanostructures. Advanced Photonics Research, 2021/10.1002/adpr.202000139

Перейти к содержанию