Микроскопы на поверхностных плазмонах

Микроскопы на поверхностных плазмонах

Обычно с помощью видимого света наблюдать объекты ангстремной толщины нельзя. Однако существует микроскоп, позволяющий сделать это. Предел разрешающей силе микроскопа устанавливает явление дифракции света. Дифракция – огибание волнами препятствий. В более широком смысле – любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики. В случае с микроскопом дифракция определяет то минимальное расстояние между двумя светящимися точками, при котором мы их увидели бы в микроскоп как две, а не одну.

После небольших вычислений оказывается, что минимальное расстояние, на котором могут находиться две светящиеся точки, будет порядка половины длины волны света, на которой они излучают. Так, для излучения на длине волны 630 нм можно рассчитывать на разрешение объектов размером не более 315 нм.

Но на явление дифракции можно взглянуть с другой стороны. Известно, что свет – это поток фотонов, квантовых частиц. Именно квантовая механика поможет нам понять, как получить разрешение, намного превосходящее дифракционный предел.

Дело в том, что соотношение неопределенности связывает два вектора импульс частицы и ее радиус-вектор. Как пишет С.И. Валянский в «Соросовском образовательном журнале»: «Теперь если задаться неопределенностью в определении импульса, то тем самым мы задали ту неопределенность в определение координаты квантового объекта, уменьшить которую мы уже не можем. Это задает нам некоторый объем в координатном пространстве. Пусть это будет некоторый кубик известного объема. Но никто не запрещает нам его деформировать, не изменяя его объем и не нарушая тем самым общего соотношения неопределенности. А деформируем мы этот кубик в некоторый тонкий блин, имеющий большую площадь, но маленькую толщину.

Если квант будет двигаться в направлении, параллельном плоскости этого блина, то в силу большой неопределенности его локализации в плоскости блина можно получить достаточно большую определенность в проекции импульса на эту плоскость. Вместе с тем мы получаем достаточно высокую локализацию кванта в перпендикулярном к этой плоскости направлении, но огромную неопределенность в проекции импульса на это направление.

Таким образом, точность определения направления движения кванта в плоскости, параллельной плоскости блина, напрямую связана с толщиной этого блина. Иначе говоря, чем в более тонкий блин раскатаем наш объем, тем с большей точностью мы сможем измерять направление движения кванта в плоскости блина. Итак, мы, оказывается, можем точно определять одну из проекций радиус-вектора и одну из проекций импульса. Только эти проекции взаимно перпендикулярны».

Но как теорию реализовать на практике? Ведь, чтобы работать с большими потоками квантов, локализованных в тонком слое, надо, чтобы они достаточно хорошо распространялись в этом тонком слое, поскольку мы хотим сделать область их локализации в направлении, перпендикулярном их движению, нанометровых размеров.

Вот здесь на помощь и приходят плазмоны. Плазмоны – это квазичастицы (кванты), возникающие в результате колебаний электронов проводимости относительно ионов. Для твердых тел, например металлов, это колебания электронов проводимости относительно ионного остова кристалла.

Квазичастицами они названы для того, чтобы отличить от настоящих квантовых частиц – электронов, протонов, нейтронов и т д. Их различие заключается в том, что если нагреть металл так, чтобы он превратился в газ исходно составлявших его атомов, то там никаких плазмонов не будет. Они существуют только тогда, когда есть металл как целое.

Нас в дальнейшем будут интересовать кванты электромагнитного поля, связанные с осцилляциями поверхностных зарядов при отсутствии возбуждающего поля. По аналогии с обычными плазмонами вводят квазичастицы – поверхностные плазмоны (ПП). Область их локализации находится вблизи поверхности раздела, где локализованы поверхностные заряды.

В 1902 году американский оптик Роберт Вуд обнаружил изменение интенсивности пучка света, дифрагирующего на решетке. Это было первое экспериментальное наблюдение поверхностных плазмонов в оптическом диапазоне. Но понято это было только в 1941 году, когда итальянскому физику-теоретику Уго Фано удалось объяснить аномалии Вуда. И только в конце 1960-х годов Андреас Отто применил идеи, развитые в работах немецкого физика, к электромагнитным волнам оптического диапазона. Он сформулировал условия, при которых можно возбуждать ПП-волны на гладких поверхностях, и указал метод их возбуждения в оптическом диапазоне длин волн. Тем самым был открыт путь к экспериментальному исследованию поверхностных плазмонов в оптическим диапазоне.

В 1971 году, через три года после выхода работы Отто, Эрвин Кречманн предложил еще одну схему возбуждения поверхностных плазмонов в оптическом диапазоне. В геометрии Кречманна тонкая проводящая пленка, на поверхности которой возбуждаются поверхностные плазмоны, наносится прямо на призму, с помощью которой они возбуждаются.

В 1988 году Вольфганг Кноль и Бенно Ротенхойслер предложили использовать поверхностные плазмоны для микроскопии. Они продемонстрировали рабочую модель микроскопа, в котором поверхностные плазмоны возбуждались по схеме Кречманна, для исследования специально сделанной сетки с известными параметрами. Результаты оказались столь впечатляющими, что вскоре этот новый прибор стал применяться в физике, химии, биологии и технике. Многие исследователи обратились к этому прибору из-за простоты его конструкции и высокого разрешения.

В основу конструкции поверхностно-плазмонного микроскопа положена схема возбуждения поверхностных плазмонов по методу Кречманна.

С.И. Валянский: «На гипотенузную грань прямоугольной треугольной призмы наносится тонкая металлическая пленка. Ее освещают со стороны призмы монохроматическим линейно поляризованным светом с расходимостью на порядок меньше, чем полуширина резонансной кривой для данной пленки. Причем вектор поляризации лежит в плоскости падения света – так называемый P-поляризованный свет. Отраженный от пленки свет попадает на фотоматрицу, сигнал с которой обрабатывается компьютером. Мы помним, что разрешение в плоскости пленки у нас несколько микрон. Поэтому между призмой и фотоматрицей на пути света ставится телескоп, расширяющий пучок так, чтобы свет, идущий с микронной площадки пленки, захватывал несколько элементов фотоматрицы.

Это одна из простых схем поверхностно-плазмонного микроскопа, но далеко не единственная. Существует большое количество их модификаций, удобных для решения конкретных задач.

Как же работает поверхностно-плазмонный микроскоп? Условия резонансного возбуждения поверхностных плазмонов зависят не только от свойств металлической пленки, на поверхности которой они возбуждаются, но и от диэлектрических свойств среды, с которой эта пленка граничит. Любую тонкую пленку на поверхности металла можно представить как локальное изменение диэлектрических свойств внешней среды. А это сразу сказывается на условии резонансного возбуждения в этом месте поверхностных плазмонов. Иначе говоря, резонансная кривая смещается в этом месте относительно кривой для чистой пленки в область больших углов.

Значит, если настроить наш микроскоп на угол, соответствующий оптимальному возбуждению поверхностных плазмонов для чистой металлической пленки, то в тех местах, где будет находиться измеряемый объект, интенсивность отраженного света будет больше, и тем больше, чем толще этот фрагмент».

Микроскоп реагирует не на толщину, а на изменения параметра, зависящего от диэлектрической проницаемости и толщины измеряемого объекта. Главный элемент всего прибора – тонкая металлическая пленка. От правильного выбора ее толщины и качества зависит разрешение всего устройства.

Возбуждение поверхностных плазмонов происходит не при каком-то определенном угле падения, а при наборе углов. Если вспомнить, что набор углов соответствует набору импульсов фотонов, то все станет понятным. Причина этого – конечное время жизни поверхностных плазмонов.

Разрешение микроскопа будет тем лучше, чем на большее расстояние сумеет распространиться ПП. Если скорость распространения его фиксирована, то за меньшее время жизни он распространится на меньшее расстояние. И ясно, что из-за поглощения и рассеяния на шероховатостях металлической пленки длина пробега может только уменьшиться.

Однако не только поверхность пленки ответственна за время жизни поверхностных плазмонов, но и ее объемные свойства. Диэлектрическая проницаемость металла имеет как действительную, так и мнимую часть. Из-за наличия последней происходит поглощение электромагнитной энергии и соответственно уменьшение времени жизни поверхностных плазмонов. Поэтому для увеличения разрешения микроскопа надо брать металл с минимальной величиной мнимой диэлектрической проницаемости. Таким металлом является серебро.

Неблагоприятным аспектом, однако, является то, что серебряная пленка быстро деградирует, окисляясь примерно за неделю. Но эту трудность удалось преодолеть, разработав метод защиты поверхности серебряной пленки.

Если металлическая пленка будет тонкой, то близкая граница призмы приведет к тому, что поверхностным плазмонам будет выгоднее распасться и преобразоваться в объемное излучение, чем оставаться поверхностным возбуждением, то есть время жизни его будет невелико. По той же причине доля энергии, которая идет на генерацию поверхностных плазмонов, будет невелика.

Очевидно, если толщина металлической пленки будет слишком большой, то практически вся энергия возбуждающей электромагнитной волны будет поглощаться в объеме пленки, не доходя до ее поверхности. И пленка будет работать как зеркало. Естественно, есть оптимальная толщина, которую и надо определить.

Данный эффект достаточно широко применяется в качестве метода исследования различных переходных слоев и тонких пленок. Это основная область его применения. Микроскоп и конструировали первоначально для наблюдения за организацией мономолекулярных ориентированных пленок в момент их формирования на поверхности жидкости и при переносе их на твердые подложки.

Другая область применения – биология, прямое наблюдение биологических объектов. В этом случае важно не столько высокое разрешение микроскопа по толщине, сколько высокое разрешение объектов, внутренняя структура которых определяется элементами с малыми изменениями в диэлектрической проницаемости.

Обычно биологи для наблюдения своих объектов вводят контрастную жидкость, после чего их можно наблюдать. Плазменный микроскоп позволяет наблюдать их без этих ухищрений. При помощи подобного микроскопа можно, например, различить в водной среде границу между цитоплазмой и клеточной стенкой.

Микроскоп – сенсор на основе ПП-резонанса – можно использовать для снятия кинетики протекания химических и биохимических реакций, контролировать размер образующихся на поверхности комплексов.