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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Microscope sur les plasmons de surface. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Il est généralement impossible d'observer des objets d'une épaisseur d'angström en utilisant la lumière visible. Cependant, il existe un microscope qui vous permet de le faire. La limite du pouvoir de résolution d'un microscope fixe le phénomène de diffraction de la lumière. La diffraction est la courbure des ondes autour des obstacles. Dans un sens plus large, tout écart dans la propagation des ondes par rapport aux lois de l'optique géométrique. Dans le cas d'un microscope, la diffraction détermine la distance minimale entre deux points lumineux à laquelle on les verrait dans un microscope comme deux, et non un. Après un petit calcul, il s'avère que la distance minimale à laquelle deux points lumineux peuvent se situer sera de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde de la lumière à laquelle ils émettent. Ainsi, pour un rayonnement à une longueur d'onde de 630 nm, on peut compter sur la résolution d'objets dont la taille ne dépasse pas 315 nm. Mais le phénomène de diffraction peut être regardé sous un autre angle. On sait que la lumière est un flux de photons, des particules quantiques. C'est la mécanique quantique qui nous aidera à comprendre comment obtenir une résolution bien au-delà de la limite de diffraction. Le fait est que la relation d'incertitude relie deux vecteurs, la quantité de mouvement d'une particule et son rayon vecteur. Comme S.I. Valyansky dans le "Soros Educational Journal": "Maintenant, si nous nous demandons l'incertitude dans la définition de l'élan, alors nous avons défini cette incertitude dans la définition de la coordonnée d'un objet quantique, que nous ne pouvons plus réduire. Cela nous donne un certain volume dans l'espace des coordonnées. Soit un cube de volume connu, mais personne ne nous interdit de le déformer sans changer son volume et violer ainsi la relation d'incertitude générale, et nous déformons ce cube en une crêpe mince avec une grande surface , mais une petite épaisseur. Si le quantum se déplace dans une direction parallèle au plan de cette galette, alors du fait de la grande incertitude de sa localisation dans le plan de la galette, il est possible d'obtenir une certitude suffisamment grande dans la projection de la quantité de mouvement sur ce plan. En même temps, on obtient une localisation suffisamment élevée du quantum dans la direction perpendiculaire à ce plan, mais une énorme incertitude dans la projection de la quantité de mouvement sur cette direction. Ainsi, la précision de la détermination de la direction du mouvement quantique dans un plan parallèle au plan de la galette est directement liée à l'épaisseur de cette galette. En d'autres termes, plus nous roulons notre volume dans une crêpe, plus nous pourrons mesurer avec précision la direction du mouvement quantique dans le plan de la crêpe. Ainsi, il s'avère que nous pouvons déterminer avec précision l'une des projections du rayon vecteur et l'une des projections de la quantité de mouvement. Seules ces projections sont mutuellement perpendiculaires. Mais comment la théorie peut-elle être mise en pratique ? Après tout, pour travailler avec de gros flux de quanta localisés dans une couche mince, il faut qu'ils se propagent assez bien dans cette couche mince, puisqu'on veut faire de la région de leur localisation dans la direction perpendiculaire à leur mouvement, de dimensions nanométriques.
C'est là que les plasmons viennent à la rescousse. Les plasmons sont des quasi-particules (quanta) résultant des vibrations des électrons de conduction par rapport aux ions. Pour les solides, comme les métaux, ce sont des vibrations d'électrons de conduction par rapport au noyau ionique du cristal. On les appelle quasi-particules afin de les distinguer des vraies particules quantiques - électrons, protons, neutrons, etc. Leur différence réside dans le fait que si vous chauffez le métal pour qu'il se transforme en un gaz de ses atomes d'origine, alors il n'y aura pas de plasmons. Ils n'existent que lorsqu'il y a du métal dans son ensemble.
Dans ce qui suit, nous nous intéresserons aux quanta de champ électromagnétique associés aux oscillations des charges de surface en l'absence de champ excitateur. Par analogie avec les plasmons ordinaires, des quasiparticules sont introduites - les plasmons de surface (SP). La zone de leur localisation est située près de l'interface, où les charges de surface sont localisées. En 1902, l'opticien américain Robert Wood découvre une modification de l'intensité d'un faisceau lumineux diffracté par un réseau. Il s'agissait de la première observation expérimentale de plasmons de surface dans le domaine optique. Mais cela n'a été compris qu'en 1941, lorsque le physicien théoricien italien Hugo Fano a réussi à expliquer les anomalies de Wood. Et ce n'est qu'à la fin des années 1960 qu'Andreas Otto a appliqué les idées développées dans les travaux du physicien allemand aux ondes électromagnétiques dans le domaine optique. Il a formulé les conditions dans lesquelles il est possible d'exciter des ondes PP sur des surfaces lisses et a indiqué une méthode pour leur excitation dans la gamme de longueurs d'onde optiques. Ainsi, la voie était ouverte pour l'étude expérimentale des plasmons de surface dans le domaine optique. En 1971, trois ans après la publication des travaux d'Otto, Erwin Kretschmann proposa un autre schéma d'excitation des plasmons de surface dans le domaine optique. Dans la géométrie de Kretschmann, un film mince conducteur, à la surface duquel les plasmons de surface sont excités, est appliqué directement sur le prisme avec lequel ils sont excités. En 1988, Wolfgang Knohl et Benno Rothenhäusler ont proposé l'utilisation de plasmons de surface pour la microscopie. Ils ont démontré un modèle de travail d'un microscope dans lequel les plasmons de surface étaient excités selon le schéma de Kretschmann pour étudier une grille spécialement conçue avec des paramètres connus. Les résultats ont été si impressionnants que ce nouvel appareil a rapidement commencé à être utilisé en physique, en chimie, en biologie et en technologie. De nombreux chercheurs se sont tournés vers cet instrument en raison de sa conception simple et de sa haute résolution.
La conception du microscope à plasmons de surface est basée sur le schéma d'excitation des plasmons de surface par la méthode de Kretschmann. SI. Valyansky : "Un film métallique mince est déposé sur la face hypoténuse d'un prisme triangulaire rectangulaire. Il est éclairé par le côté du prisme avec une lumière monochromatique polarisée linéairement avec une divergence d'un ordre de grandeur inférieur à la demi-largeur de la courbe de résonance De plus, le vecteur de polarisation se situe dans le plan d'incidence de la lumière - la lumière dite polarisée P. La lumière réfléchie par le film frappe la photomatrice, dont le signal est traité par l'ordinateur. la résolution dans le plan du film, nous avons quelques microns. Par conséquent, un télescope est placé entre le prisme et la photomatrice dans le trajet de la lumière, élargissant le faisceau de sorte que la lumière provenant de la zone micron du film, capturé plusieurs éléments de la photomatrice. C'est l'un des schémas simples d'un microscope à plasmon de surface, mais loin d'être le seul. Il existe un grand nombre de leurs modifications, pratiques pour résoudre des problèmes spécifiques. Comment fonctionne un microscope à plasmons de surface ? Les conditions d'excitation résonnante des plasmons de surface dépendent non seulement des propriétés du film métallique à la surface duquel ils sont excités, mais aussi des propriétés diélectriques du milieu avec lequel ce film borde. Tout film mince sur une surface métallique peut être représenté comme un changement local des propriétés diélectriques de l'environnement. Et cela affecte immédiatement la condition d'excitation résonnante à cet endroit des plasmons de surface. En d'autres termes, la courbe de résonance est décalée à cet endroit par rapport à la courbe pour un film propre au domaine des grands angles. Cela signifie que si nous ajustons notre microscope à un angle correspondant à l'excitation optimale des plasmons de surface pour un film de métal pur, alors aux endroits où se trouvera l'objet mesuré, l'intensité de la lumière réfléchie sera plus grande, et plus la plus épais ce fragment." Le microscope ne réagit pas à l'épaisseur, mais aux changements d'un paramètre qui dépend de la permittivité et de l'épaisseur de l'objet mesuré. L'élément principal de l'ensemble du dispositif est un film métallique mince. La résolution de l'ensemble de l'appareil dépend du choix correct de son épaisseur et de sa qualité. L'excitation des plasmons de surface ne se produit pas à un certain angle d'incidence, mais à un ensemble d'angles. Si nous nous souvenons que l'ensemble des angles correspond à l'ensemble des impulsions des photons, alors tout devient clair. La raison en est la durée de vie finie des plasmons de surface. La résolution du microscope sera d'autant meilleure que le PP pourra se propager longtemps. Si sa vitesse de propagation est fixe, alors dans une durée de vie plus courte, il se propagera sur une distance plus courte. Et il est clair qu'en raison de l'absorption et de la diffusion par la rugosité du film métallique, la longueur du trajet ne peut que diminuer. Cependant, non seulement la surface du film est responsable de la durée de vie des plasmons de surface, mais également de ses propriétés globales. La constante diélectrique d'un métal a une partie réelle et une partie imaginaire. En raison de la présence de ces derniers, l'énergie électromagnétique est absorbée et, par conséquent, la durée de vie des plasmons de surface diminue. Par conséquent, pour augmenter la résolution du microscope, il est nécessaire de prendre un métal avec une valeur minimale de la permittivité imaginaire. L'argent est un tel métal. Un aspect défavorable, cependant, est que le film d'argent se dégrade rapidement, s'oxydant en une semaine environ. Mais cette difficulté a été surmontée en développant une méthode de protection de la surface du film d'argent. Si le film métallique est mince, la limite étroite du prisme conduira au fait qu'il sera plus rentable pour les plasmons de surface de se désintégrer et de se transformer en rayonnement massif que de rester en excitation de surface, c'est-à-dire que sa durée de vie sera courte. Pour la même raison, la fraction d'énergie qui entre dans la génération de plasmons de surface sera faible. Évidemment, si l'épaisseur du film métallique est trop grande, alors presque toute l'énergie de l'onde électromagnétique excitatrice sera absorbée dans le volume du film, n'atteignant pas sa surface. Et le film fonctionnera comme un miroir. Naturellement, il existe une épaisseur optimale, qui doit être déterminée. Cet effet est largement utilisé comme méthode pour étudier diverses couches de transition et couches minces. C'est son principal domaine d'application. Le microscope a été conçu à l'origine pour observer l'organisation de films orientés monomoléculaires au moment de leur formation à la surface d'un liquide et lors de leur transfert sur des substrats solides. Un autre domaine d'application est la biologie, l'observation directe d'objets biologiques. Dans ce cas, ce n'est pas tant la haute résolution du microscope en termes d'épaisseur qui importe que la haute résolution des objets dont la structure interne est déterminée par des éléments avec de petits changements dans la permittivité. Habituellement, les biologistes injectent un liquide de contraste pour observer leurs objets, après quoi ils peuvent être observés. Un microscope à plasma permet de les observer sans ces astuces. A l'aide d'un tel microscope, on peut par exemple distinguer la frontière entre le cytoplasme et la paroi cellulaire en milieu aqueux. Un microscope - un capteur basé sur la résonance PP - peut être utilisé pour mesurer la cinétique des réactions chimiques et biochimiques, pour contrôler la taille des complexes formés à la surface. Auteur : Musskiy S.A.
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