Los nanomateriales juegan un papel fundamental en muchas áreas de la vida diaria. Por tanto, existe un gran interés por obtener un conocimiento detallado sobre sus propiedades ópticas y electrónicas. Los microscopios convencionales superan sus límites cuando el tamaño de las partículas cae al rango de unos diez nanómetros, donde una sola partícula proporciona solo una pequeña señal que se desvanece. Como consecuencia, muchas investigaciones se limitan a grandes conjuntos de partículas. Ahora, un equipo de científicos de la División de Espectroscopia Láser del Prof. Theodor W. Hänsch (Director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y Presidente de Física Experimental de la Ludwig-Maximilians-Universität Munich) ha desarrollado una técnica, donde se usa una microcavidad óptica para mejorar las señales en más de 1000 veces y al mismo tiempo logra una resolución óptica cercana al límite de difracción fundamental. La posibilidad de estudiar las propiedades ópticas de nanopartículas o macromoléculas individuales promete un potencial intrigante para muchas áreas de la biología. química, y nanociencia.

Las mediciones espectroscópicas en grandes conjuntos de nanopartículas adolecen del hecho de que las diferencias individuales de tamaño, forma, y la composición molecular se eliminan por lavado y solo se pueden extraer cantidades medias. Por tanto, existe un gran interés en desarrollar técnicas sensibles a partículas individuales. "Nuestro enfoque es atrapar la luz de la sonda utilizada para obtener imágenes dentro de un resonador óptico, donde circula decenas de miles de veces. Esto mejora la interacción entre la luz y la muestra, y la señal se puede medir fácilmente ", explica el Dr. David Hunger, uno de los científicos que trabaja en el experimento. "Para un microscopio ordinario, la señal sería solo una millonésima parte de la potencia de entrada, que es apenas mensurable. Debido al resonador, la señal se mejora en un factor de 50.000 ".

En el microscopio construido por el Dr. David Hunger y su equipo, un lado del resonador está compuesto por un espejo plano que sirve al mismo tiempo como portador de las nanopartículas bajo investigación. La contraparte es un espejo fuertemente curvado en la cara final de una fibra óptica. La luz láser se acopla al resonador a través de esta fibra. El espejo plano se mueve punto por punto con respecto a la fibra para enfocar la partícula paso a paso. Al mismo tiempo, la distancia entre ambos espejos se ajusta de modo que se cumpla la condición para la aparición de modos de resonancia. Esto requiere una precisión en el rango de los picómetros.

Para sus primeras mediciones, los científicos utilizaron esferas de oro con un diámetro de 40 nanómetros. "Las partículas de oro sirven como nuestro sistema de referencia, ya que podemos calcular sus propiedades con precisión y, por lo tanto, verificar la validez de nuestras mediciones ", dice David Hunger." Dado que conocemos las propiedades ópticas de nuestro aparato de medición con mucha precisión, podemos determinar las propiedades ópticas de las partículas a partir de la señal de transmisión cuantitativamente y compararlas con el cálculo ". A diferencia de otros métodos que se basan en la mejora directa de la señal, el campo de luz se limita a un área muy pequeña, de modo que al usar solo el modo fundamental, se consigue una resolución espacial de 2 micrones. Combinando modos de orden superior, los científicos incluso podrían aumentar la resolución a unos 800 nanómetros.

El método se vuelve aún más poderoso cuando se determinan al mismo tiempo las propiedades de absorción y dispersión de una sola partícula. Esto es interesante especialmente si las partículas no son esféricas pero p. Ej. alargado. Luego, las cantidades correspondientes dependen de la orientación de la polarización de la luz con respecto a los ejes de simetría de la partícula. "En nuestro experimento utilizamos nanobarras de oro (34x25x25 nm ³ ) y observamos cómo cambia la frecuencia de resonancia dependiendo de la orientación de la polarización. Si la polarización está orientada paralela a los ejes de la varilla, el desplazamiento de la resonancia es mayor que si la polarización está orientada ortogonalmente, resultando en dos frecuencias de resonancia diferentes para ambas polarizaciones ortogonales "explica Matthias Mader, Estudiante de doctorado en el experimento. "Esta birrefringencia se puede medir con mucha precisión y es un indicador muy sensible de la forma y orientación de la partícula".

"Como una aplicación de nuestro método, podríamos pensar en p. ej. investigar la dinámica temporal de las macromoléculas, como la dinámica de plegamiento de las proteínas ", dice David Hunger." En general, vemos un gran potencial para nuestro método:desde la caracterización de nanomateriales y nanosistemas biológicos hasta la espectroscopia de emisores cuánticos ".