La luz estructurada topológicamente detecta la ubicación de objetos a nanoescala con precisión atómica

Las técnicas de imagen y medición ópticas son herramientas clave para la investigación arraigada en biología, medicina y nanotecnología. Si bien estas técnicas han avanzado cada vez más recientemente, la resolución que logran es aún mucho menor que la obtenida con métodos que utilizan haces de electrones enfocados, como la espectroscopia electrónica de transmisión a escala atómica y la tomografía crioelectrónica.

Investigadores de la Universidad de Southampton y la Universidad Tecnológica de Nanyang han presentado recientemente un enfoque no invasivo para las mediciones fotométricas con precisión a nivel atómico. Su enfoque propuesto, descrito en materiales de la naturalezapodría abrir nuevas e interesantes posibilidades para la investigación en una variedad de campos, permitiendo a los científicos caracterizar sistemas o fenómenos en la escala de una milmillonésima de metro.

«Desde el siglo XIX, las mejoras en la resolución espacial de la microscopía han sido una tendencia importante en la ciencia que ha sido marcada por al menos siete premios Nobel», dijo a Phys.org Nikolai I. Zelodev, uno de los investigadores que realizó el estudio. «Nuestro sueño era desarrollar una tecnología que pudiera detectar eventos a escala atómica con luz, y hemos estado trabajando en esto durante los últimos tres años».

En sus experimentos, Zheludev y sus colegas demostraron la escala atómica mediante la recopilación de imágenes de un solo disparo del patrón de difracción de la luz estructurada topológicamente con una longitud de onda λ = 488 nm dispersa en un nanocable suspendido de 17 μm de largo por 200 nm. a escala, para determinar su ubicación en relación con los bordes fijos de la muestra.

Luego, los investigadores entrenaron un algoritmo de aprendizaje profundo en un conjunto de datos de imágenes de un solo disparo de los patrones de dispersión que ocurrieron cuando los nanocables se colocaron en 301 posiciones diferentes. Después del entrenamiento, este algoritmo puede predecir las posiciones de nanocables específicos en función del patrón de luz dispersa registrado por el sensor del equipo.

«La idea principal detrás de nuestro enfoque es utilizar una luz compleja estructurada a una escala muy fina, que es la luz súper oscilante que contiene las singularidades», explicó Zelodev. «Si un objeto de sublongitud de onda se mueve en dicho campo, el patrón de dispersión de luz en el objeto es muy sensible a la forma y posición del objeto. Usamos una forma de inteligencia artificial, un análisis de aprendizaje profundo del perfil de intensidad de la luz dispersada, para reconstruir la posición del objeto.”

En los experimentos de prueba de principio del equipo, el método de medición de localización óptica funcionó notablemente bien, resolviendo la posición del nanocable suspendido con una resolución subatómica de 92 μm (es decir, alrededor de λ/5300), mientras que los nanocables normalmente oscilan térmicamente. con capacitancia. desde 150 m. Como referencia, el diámetro de un átomo de silicio es 220pm.

«Nuestro logro más importante fue lograr una precisión a escala atómica en la detección de la ubicación de las nanopartículas con luz», dijo Zelodev. «Hemos logrado una resolución miles de veces mejor que la que pueden proporcionar los microscopios convencionales. Nuestro trabajo abre el campo de las imágenes fotográficas, la ciencia de las interacciones luz-materia en la escala picométrica».

En su último estudio, Zheludev y sus colegas muestran la posibilidad de utilizar la optometría con luz estructurada topológicamente para recopilar mediciones a escala atómica. En el futuro, el enfoque presentado en su artículo podría ser utilizado por otros equipos de investigación de todo el mundo para estudiar fenómenos sutiles con más detalle y de forma no invasiva utilizando la luz.

«Ahora estamos trabajando en la detección de los movimientos del picnómetro a una alta velocidad de fotogramas, de modo que podamos grabar un video que muestre la verdadera dinámica del movimiento browniano de un nanocuerpo», agregó Zelodev.