Группа под руководством профессора Дэйва Келписки из университета Гриффита (Австралия) смогла получить изображение тени единичного иона. В данном случае “тенью” называют участок снимка, на котором зарегистрировано явление фотонной абсорбции.

Наблюдения в оптический микроскоп, построенный по классической схеме, ограничиваются дифракционным пределом разрешающей способности. Поскольку оптический диапазон лежит в границах 380 – 780 нанометров, таким пределом можно считать половину длины коротковолновой части ~ 200 нм.

Преодолеть этот теоретический предел стало возможным благодаря методам оптического сверхразрешения. Наиболее известным среди них является микроскопия ближнего поля. Её основу составляет регистрация рассеивания света на расстояниях меньше длины волны.

Для современных оптических микроскопов, преодолевших дифракционный предел за счёт дополнительных методов, хорошим показателем считается разрешение в 100 нм. Порой встречаются сообщения о преодолении отметки в 50 или даже 20 нм, но на поверку они оказываются достижениями не столько физики, сколько маркетинга.

В лаборатории университета Гриффита для получения рекордного оптического сверхразрешения использовали последние наработки в области квантовой физики и криогенной техники.

Снимок тени от единичного иона иттербия-174

Ион иттербия-174 диаметром 0,388 нм поместили в квадрупольную ионную ловушку в условиях глубокого вакуума. Далее его охладили лазером до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это позволило погасить тепловые колебания иона и заставить его “замереть”. Тот же лазер с длиной волны 369,5 нм, проходя через отверстие диаметром 4,8 мкм, одновременно выполнял функцию подсветки. После прохождения иона иттербия свет распространялся параллельными лучами (коллимировал) и попадал на линзу Френеля в объективе с диафрагменным числом 0,64. Затем он проецировался на охлаждённую ПЗС-матрицу с увеличением в 615 раз.
На итоговом изображении запечатлена высококонтрастная область фотонной абсорбции – тень от иона иттербия.

Полученные результаты не только устанавливают новый рекорд оптической микроскопии, но и предоставляют новые возможности в области обработки изображений светочувствительных образцов в видимом и в рентгеновском спектре.