Mikroskoplar, bildiğiniz üzere hücrelerden virüslere kadar çok küçük ölçekteki objeleri incelemek için uzun yıllardır bilim insanları tarafından kullanılıyor. Ancak en güçlü optik mikroskoplar bile temel bir fizik kuralı olan kırınım hududu nedeniyle, yaklaşık 200 nanometreden daha küçük yapıları net bir biçimde görüntüleyemiyor. Bu fizikî sınırlama, ışığın tek bir atom ya da molekülle nasıl etkileştiğini direkt gözlemlemeyi uzun müddet engelledi. Oysa bu çeşit müşahedeler, gereç bilimi, elektronik ve kuantum teknolojileri için büyük kıymet taşıyor.
Işığın atom seviyesindeki davranışı artık gözlemlenebiliyor
Şimdi, milletlerarası bir araştırmacı grubu bu zorluğun üstesinden geldi. Geliştirdikleri yeni görüntüleme usulü “ULA-SNOM” (ultra düşük uç salınım genlikli saçılma tipi yakın alan optik mikroskopi) ile, ışık kullanarak yalnızca bir nanometre büyüklüğündeki detayları çözümlemeyi başardılar. Başka bir deyişle, bilim insanları artık ışığın atom ölçeğinde nasıl davrandığını direkt gözlemleyebiliyor; ki bu, bugüne kadar sırf elektron mikroskoplarıyla mümkün olabileceği düşünülen bir başarıydı.
Bu buluş, unsurun en temel seviyedeki yapısını incelememizi sağlayarak, güneş panellerinden kimyasal tepkilerin anlaşılmasına kadar pek çok alanda ihtilal yaratabilir.
Araştırmacılar, bu yüksek çözünürlüğe ulaşmak için halihazırda var olan bir tekniği, saçılma tipi taramalı yakın alan optik mikroskopisi (s-SNOM) metodunu temel aldılar. Bu formülde, keskin bir metal uç lazerle aydınlatılır ve bir materyalin yüzeyi boyunca taranır. Yüzeyden saçılan ışık, nano seviyedeki yapılar hakkında bilgi verir. Lakin klasik s-SNOM sistemleri, en fazla 10 ila 100 nanometre çözünürlük sunar; bu da atomları görüntülemek için bu kâfi değil.
Yeni teknik: ULA-SNOM
Araştırmacılar, geliştirdikleri ULA-SNOM usulü ile ucu yalnızca 0.5 ila 1 nanometre ortasında çok küçük bir salınımla hareket ettirmeyi başardılar. Bu usulde uç, sadece 0,5 ila 1 nanometrelik bir genlikle, yani yaklaşık üç atom genişliğinde salınıyor. Bu kadar hassas bir hareket, hem kâfi optik sinyali almayı mümkün kıldı hem de atomik seviyede ayrıntıları çözebilmeyi sağladı. Daha büyük salınımlar çözünürlüğü düşürürken, daha küçük salınımlar sinyal gürültüsünü artırıyordu.
Uç, odaklanmış iyon demeti kullanılarak dikkatle şekillendirilmiş ve cilalanmış gümüşten üretildi. 633 nanometre dalga uzunluğunda ve 6 miliwatt gücünde görülebilir kırmızı bir lazer, bu uca yöneltilerek “plazmonik boşluk” ismi verilen bir olgu oluşturuldu. Bu boşluk, ışığın atomik seviyede gereçle etkileşime girmesini sağladı.
Bu hassas tertibi sabit tutmak için deney, ultra yüksek vakum altında ve −265°C (8 Kelvin) gibi çok düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirildi. Bu şartlar titreşimleri ve yüzey kirlenmelerini ortadan kaldırarak ucu yüzeye sadece bir nanometre aralıkta kararlı halde tutabildi. Ayrıyeten art plan ışığını filtrelemek ve gerçek sinyali güçlendirmel için “kendi kendine homodin tespit” isimli özel bir teknik kullanıldı. Böylelikle elde edilen optik datalar çok daha net hale geldi.
Ekip, sistemlerini test etmek için gümüş yüzey üzerine yerleştirilmiş tek atom kalınlığındaki silikon adacıklarını inceledi. Silikon katmanları yalnızca bir atom yüksekliğinde olmasına karşın, mikroskop hem silikon ile gümüş ortasındaki sonu hem de her iki materyalin ışığa verdiği yansıları net bir halde gösterebildi. Bu da mikroskobun sırf hal değil, birebir vakitte materyalin optik özelliklerindeki farklılıkları da atomik seviyede görüntüleyebildiğini kanıtladı.
Bilim insanları, uzamsal çözünürlüğü, atom ölçeğinde yüzeyleri görüntülemek için kullanılan güçlü bir aygıt olan klâsik bir STM (taramalı tünelleme mikroskobu) imajlarıyla karşılaştırdığında, ULA-SNOM’un yaklaşık 1 nanometre çözünürlükle tıpkı ayrıntı düzeyini sunduğu ortaya çıktı. Bu paha, STM’nin sağladığı 0.9 nanometrelik çözünürlüğe çok yakın.
Bir atomun, gerecin optik davranışını nasıl değiştirdiği birinci defa görüntülendi
Araştırmacılar, birinci sefer tek bir atomun yahut kusurun bir gerecin optik davranışını nasıl etkilediğini net bir biçimde görebildiler. Bu gelişme, nano yapılar tasarlamak, yeni fotonik gereçler keşfetmek ya da daha verimli güneş pilleri üretmek üzere birçok alanda büyük potansiyel sunuyor. Ayrıyeten bu teknik sayesinde artık kuantum noktaları, tek moleküllü sensörler yahut biyolojik yapılar da atomik seviyede incelenebilir hale geliyor.
Yine de, ULA-SNOM’un uygulanması kimi zorluklar içeriyor. Formül, kriyojenik soğutma, ultra yüksek vakum, özel şekillendirilmiş metal uçlar ve çok hassas lazer sistemleri gerektiriyor. Bu nedenle şimdilik yalnızca ileri seviye araştırma laboratuvarlarında kullanılabiliyor. Gelecekte yapılacak çalışmaların, bu sistemin daha pratik, erişilebilir ve yaygın hale getirilmesine odaklanması bekleniyor.
