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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Microscopio en plasmones de superficie. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Por lo general, es imposible observar objetos de un grosor de angstrom con luz visible. Sin embargo, hay un microscopio que le permite hacer esto. El límite del poder de resolución de un microscopio establece el fenómeno de la difracción de la luz. La difracción es la flexión de las ondas alrededor de los obstáculos. En un sentido más amplio, cualquier desviación en la propagación de las ondas de las leyes de la óptica geométrica. En el caso de un microscopio, la difracción determina la distancia mínima entre dos puntos luminosos a la que los veríamos en un microscopio como dos, y no como uno. Después de un pequeño cálculo, resulta que la distancia mínima a la que se pueden ubicar dos puntos luminosos será del orden de la mitad de la longitud de onda de la luz a la que emiten. Por lo tanto, para la radiación a una longitud de onda de 630 nm, se puede contar con la resolución de objetos de tamaño no superior a 315 nm. Pero el fenómeno de la difracción puede verse desde otro ángulo. Se sabe que la luz es una corriente de fotones, partículas cuánticas. Es la mecánica cuántica la que nos ayudará a descubrir cómo obtener una resolución mucho más allá del límite de difracción. El hecho es que la relación de incertidumbre conecta dos vectores, el momento de una partícula y su radio vector. como S. I. Valyansky en el "Diario Educativo de Soros": "Ahora bien, si nos preguntamos la incertidumbre en la definición del momento, entonces hemos establecido esa incertidumbre en la definición de las coordenadas de un objeto cuántico, que ya no podemos reducir. Esto nos da algún volumen en el espacio de coordenadas. Sea un cubo de volumen conocido, pero nadie nos prohíbe deformarlo sin cambiar su volumen y, por lo tanto, violar la relación de incertidumbre general, y deformamos este cubo en un panqueque delgado con un área grande , pero de pequeño espesor. Si el cuanto se mueve en una dirección paralela al plano de este panqueque, entonces, debido a la gran incertidumbre de su localización en el plano del panqueque, es posible obtener una certeza suficientemente grande en la proyección del momento sobre este plano. Al mismo tiempo, obtenemos una localización suficientemente alta del cuanto en la dirección perpendicular a este plano, pero una gran incertidumbre en la proyección del momento en esta dirección. Por lo tanto, la precisión de determinar la dirección del movimiento cuántico en un plano paralelo al plano del panqueque está directamente relacionada con el grosor de este panqueque. En otras palabras, cuanto más delgado enrollemos nuestro volumen en un panqueque, con mayor precisión podremos medir la dirección del movimiento cuántico en el plano del panqueque. Entonces, resulta que podemos determinar con precisión una de las proyecciones del radio vector y una de las proyecciones del momento. Solo estas proyecciones son mutuamente perpendiculares. Pero, ¿cómo se puede poner en práctica la teoría? Después de todo, para trabajar con grandes flujos de cuantos localizados en una capa delgada, es necesario que se propaguen bastante bien en esta capa delgada, ya que queremos hacer la región de su localización en la dirección perpendicular a su movimiento, de dimensiones nanométricas.
Aquí es donde los plasmones vienen al rescate. Los plasmones son cuasipartículas (cuantos) resultantes de las vibraciones de los electrones de conducción en relación con los iones. Para los sólidos, como los metales, estas son vibraciones de los electrones de conducción en relación con el núcleo iónico del cristal. Se llaman cuasipartículas para distinguirlas de las partículas cuánticas reales: electrones, protones, neutrones, etc. Su diferencia radica en el hecho de que si calientas el metal para que se convierta en un gas de sus átomos originales, entonces no no habrá plasmones. Existen sólo cuando hay metal como un todo.
En lo que sigue, nos interesaremos en los cuantos de campo electromagnético asociados con oscilaciones de cargas superficiales en ausencia de un campo excitante. Por analogía con los plasmones ordinarios, se introducen cuasipartículas: plasmones de superficie (SP). El área de su localización se encuentra cerca de la interfaz, donde se localizan las cargas superficiales. En 1902, el óptico estadounidense Robert Wood descubrió un cambio en la intensidad de un haz de luz difractado por una rejilla. Esta fue la primera observación experimental de plasmones de superficie en el rango óptico. Pero esto no se entendió hasta 1941, cuando el físico teórico italiano Hugo Fano logró explicar las anomalías de Wood. Y solo a fines de la década de 1960, Andreas Otto aplicó las ideas desarrolladas en los trabajos del físico alemán a las ondas electromagnéticas en el rango óptico. Formuló condiciones bajo las cuales es posible excitar ondas PP en superficies lisas e indicó un método para su excitación en el rango de longitud de onda óptica. Así, se abrió el camino para el estudio experimental de plasmones de superficie en el rango óptico. En 1971, tres años después de la publicación del trabajo de Otto, Erwin Kretschmann propuso otro esquema para la excitación de plasmones superficiales en el rango óptico. En la geometría de Kretschmann, una película conductora delgada, en cuya superficie se excitan los plasmones superficiales, se aplica directamente al prisma con el que se excitan. En 1988, Wolfgang Knohl y Benno Rothenhäusler propusieron el uso de plasmones de superficie para microscopía. Demostraron un modelo de trabajo de un microscopio, en el que los plasmones de la superficie se excitaron de acuerdo con el esquema de Kretschmann, para estudiar una rejilla hecha especialmente con parámetros conocidos. Los resultados fueron tan impresionantes que pronto este nuevo dispositivo comenzó a usarse en física, química, biología y tecnología. Muchos investigadores han recurrido a este instrumento por su diseño simple y alta resolución.
El diseño del microscopio de plasmones de superficie se basa en el esquema de excitación de plasmones de superficie por el método de Kretschmann. SI. Valyansky: "Se deposita una película metálica delgada en la cara de la hipotenusa de un prisma triangular rectangular. Se ilumina desde el lado del prisma con luz monocromática polarizada linealmente con una divergencia de un orden de magnitud menor que la mitad del ancho de la curva de resonancia para esta película Además, el vector de polarización se encuentra en el plano de incidencia de la luz, la llamada luz polarizada P. La luz reflejada de la película golpea la fotomatriz, cuya señal es procesada por la computadora. la resolución en el plano de la película tenemos unas pocas micras. Por lo tanto, se coloca un telescopio entre el prisma y la fotomatriz en el camino de la luz, expandiendo el haz para que la luz proveniente del área de micras de la película, capte varias elementos de la fotomatriz. Este es uno de los esquemas simples de un microscopio de plasmones de superficie, pero está lejos de ser el único. Hay una gran cantidad de sus modificaciones, convenientes para resolver problemas específicos. ¿Cómo funciona un microscopio de plasmón de superficie? Las condiciones para la excitación resonante de los plasmones superficiales dependen no sólo de las propiedades de la película metálica en cuya superficie se excitan, sino también de las propiedades dieléctricas del medio con el que bordea esta película. Cualquier película delgada sobre una superficie metálica se puede representar como un cambio local en las propiedades dieléctricas del entorno. Y esto afecta inmediatamente la condición de excitación resonante en este lugar de plasmones superficiales. En otras palabras, la curva de resonancia se desplaza en este lugar con respecto a la curva de una película pura a la región de ángulos grandes. Esto significa que si ajustamos nuestro microscopio a un ángulo correspondiente a la excitación óptima de los plasmones superficiales para una película de metal puro, entonces en aquellos lugares donde estará el objeto medido, la intensidad de la luz reflejada será mayor, y cuanto mayor sea la más grueso este fragmento". El microscopio no responde al espesor, sino a cambios en un parámetro que depende de la permitividad y espesor del objeto que se está midiendo. El elemento principal de todo el dispositivo es una fina película de metal. La resolución de todo el dispositivo depende de la elección correcta de su grosor y calidad. La excitación de los plasmones de superficie no se produce en un cierto ángulo de incidencia, sino en un conjunto de ángulos. Si recordamos que el conjunto de ángulos corresponde al conjunto de momentos de fotones, entonces todo se vuelve claro. La razón de esto es el tiempo de vida finito de los plasmones de superficie. La resolución del microscopio será mejor cuanto más tiempo se pueda propagar el PP. Si su velocidad de propagación es fija, en un tiempo de vida más corto se extenderá a una distancia más corta. Y está claro que debido a la absorción y dispersión por la rugosidad de la película metálica, la longitud del camino solo puede disminuir. Sin embargo, no solo la superficie de la película es responsable de la vida útil de los plasmones de superficie, sino también de sus propiedades a granel. La constante dieléctrica de un metal tiene tanto una parte real como una imaginaria. Debido a la presencia de estos últimos, se absorbe energía electromagnética y, en consecuencia, disminuye la vida útil de los plasmones superficiales. Por lo tanto, para aumentar la resolución del microscopio, es necesario tomar un metal con un valor mínimo de la permitividad imaginaria. La plata es tal metal. Sin embargo, un aspecto desfavorable es que la película de plata se degrada rápidamente, oxidándose en aproximadamente una semana. Pero esta dificultad se superó desarrollando un método para proteger la superficie de la película de plata. Si la película de metal es delgada, entonces el límite cercano del prisma conducirá al hecho de que será más rentable para los plasmones superficiales decaer y transformarse en radiación masiva que permanecer excitados en la superficie, es decir, su vida útil será corta. Por la misma razón, la fracción de energía que se destina a la generación de plasmones superficiales será pequeña. Obviamente, si el espesor de la película de metal es demasiado grande, prácticamente toda la energía de la onda electromagnética excitante será absorbida en el volumen de la película, sin llegar a su superficie. Y la película funcionará como un espejo. Naturalmente, hay un grosor óptimo, que debe determinarse. Este efecto se usa ampliamente como método para estudiar varias capas de transición y películas delgadas. Esta es su principal área de aplicación. El microscopio fue diseñado originalmente para observar la organización de películas monomoleculares orientadas en el momento de su formación en la superficie de un líquido y durante su transferencia a sustratos sólidos. Otra área de aplicación es la biología, observación directa de objetos biológicos. En este caso, lo importante no es tanto la alta resolución del microscopio en espesor, sino la alta resolución de los objetos cuya estructura interna está determinada por elementos con pequeños cambios en la permitividad. Por lo general, los biólogos inyectan líquido de contraste para observar sus objetos, después de lo cual pueden observarse. Un microscopio de plasma te permite observarlos sin estos trucos. Con un microscopio de este tipo se puede distinguir, por ejemplo, el límite entre el citoplasma y la pared celular en un medio acuoso. Se puede utilizar un microscopio, un sensor basado en resonancia PP, para registrar la cinética de las reacciones químicas y bioquímicas, para controlar el tamaño de los complejos formados en la superficie. Autor: Musskiy S.A.
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