Para obtener conocimientos aún más profundos sobre los mundos más pequeños, los umbrales de la microscopía deben ampliarse aún más. Científicos de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y TU Dresden, en cooperación con la Freie Universität Berlin, han logrado combinar dos técnicas de medición establecidas por primera vez:microscopía óptica de campo cercano y espectroscopía ultrarrápida. La tecnología asistida por computadora desarrollada especialmente para este propósito combina las ventajas de ambos métodos y suprime el ruido no deseado. Esto hace posible la filmación de procesos dinámicos de alta precisión a escala nanométrica. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista de investigación Informes científicos .

Muchos procesos importantes pero complejos en las ciencias naturales y de la vida, por ejemplo, fotosíntesis o superconductividad a alta temperatura, aún no se han entendido. Por un lado, esto se debe al hecho de que tales procesos tienen lugar en una escala de una millonésima de milímetro (nanómetro) y, por lo tanto, no pueden observarse mediante imágenes microscópicas ópticas convencionales. Por otra parte, los investigadores deben poder observar con precisión cambios muy rápidos en etapas individuales para comprender mejor la dinámica altamente compleja. Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías espaciales y temporales de alta resolución se ha promovido durante décadas.

La nueva cámara de Dresde combina las ventajas de dos mundos:microscopía y espectroscopía ultrarrápida. Permite mediciones ópticas inalteradas de extremadamente pequeños, cambios dinámicos en biológicos, Procesos químicos o físicos. El instrumento es de tamaño compacto y se puede utilizar para estudios espectroscópicos en una gran área del espectro electromagnético. Se pueden seleccionar incrementos de tiempo desde unas cuantas billonésimas de segundo (femtosegundos) hasta el segundo rango para imágenes individuales. "Esto hace que nuestro nanoscopio sea adecuado para visualizar procesos físicos ultrarrápidos, así como para procesos biológicos, que suelen ser muy lentos, "dice el Dr. Michael Gensch del HZDR.

La combinación de dos métodos garantiza una alta resolución espacial y temporal

El nanoscopio se basa en el desarrollo posterior de la microscopía de campo cercano, en el que se irradia luz láser sobre una punta de metal ultrafina. Esto crea una luz muy agrupada, cien veces más pequeña que la longitud de onda de la luz, que de otro modo representa el límite de la óptica "normal" con lentes y espejos. "En principio, podemos utilizar todo el espectro de longitud de onda de la microscopía de campo cercano, desde el ultravioleta hasta el rango de terahercios, "dice la Dra. Susanne Kehr de TU Dresden." La luz enfocada entrega energía a la muestra, creando una interacción especial entre el punto y la muestra en lo que se conoce como campo cercano. Observando la parte retro-dispersada de la luz láser, se puede lograr una resolución espacial del orden de la magnitud de campo cercano, es decir, en el rango nanométrico ". Esta tecnología, conocido como SNOM (microscopía óptica de escaneo de campo cercano), Por lo general, solo se utiliza para obtener imágenes de condiciones estáticas.

El uso de espectroscopia ultrarrápida es la herramienta crucial, por otra parte, permitiendo a los científicos estudiar procesos dinámicos en escalas de tiempo breves y con extrema sensibilidad. La resolución espacial tiene, hasta ahora, Sin embargo, se ha limitado al rango de micrómetros. El principio en tales experimentos de bomba-sonda que funcionan, por ejemplo, con luz, pulsos de presión o de campo eléctrico es el siguiente:mientras que un primer pulso excita la muestra en estudio, un segundo pulso monitorea el cambio en la muestra. Si el tiempo entre ellos es variado, las instantáneas se pueden tomar en diferentes momentos, y se puede montar una película. Una corrección inteligente de los errores de medición conduce a la alta sensibilidad del procedimiento espectroscópico. La activación por un pulso de excitación significa un tipo de perturbación para todo el sistema de muestra, que debe filtrarse para eliminar el ruido o el "fondo". Esto se logra sondeando la muestra no perturbada con un segundo pulso de referencia directamente antes de la excitación. Esta tecnología en particular no se podía combinar con la microscopía óptica de campo cercano hasta ahora. Por primera vez, los equipos liderados por los dos físicos de Dresde han logrado combinar todas las ventajas de ambos métodos en su nanoscopio.

"Hemos desarrollado software con una tecnología de demodulación especial con la que, además de la excelente resolución de la microscopía óptica de campo cercano que es al menos tres órdenes de magnitud mejor que la resolución de la espectroscopía ultrarrápida común, ahora también podemos medir la dinámica cambios en la muestra con alta sensibilidad, "explica Kehr. El inteligente método electrónico permite al nanoscopio registrar exclusivamente los cambios que ocurren realmente en las propiedades de la muestra debido a la excitación. Aunque otros grupos de investigación sólo recientemente han informado de una buena resolución temporal con sus nanoscopios, Ellos no pudieron, sin embargo, obtener este importante modo de corrección. Una ventaja adicional de la solución Dresden es que se puede integrar fácilmente en microscopios de campo cercano existentes.

Universal en todos los aspectos

"Con la considerable cobertura de longitud de onda de nuestro nanoscopio, Los procesos dinámicos se pueden estudiar con las longitudes de onda más adecuadas para el proceso específico en estudio. Este es un paso importante para comprender estos procesos. Nuestros colegas de la Freie Universität Berlin tienen, por ejemplo, el ambicioso sueño de rastrear cambios estructurales durante el fotociclo de una proteína de membrana individual en longitudes de onda específicas en el espectro infrarrojo, "Dice Gensch. Junto con su colega de TU, Susanne Kehr, demostró el nuevo método en un sistema de muestra conocido, una capa semiconductora de silicio y germanio. "Si hubiéramos utilizado una muestra desconocida para la demostración, no hubiéramos estado en condiciones de interpretar correctamente la funcionalidad de nuestro enfoque, "Enfatiza Kehr.

El nanoscopio de Dresde es universalmente adaptable a las respectivas cuestiones científicas. Las longitudes de onda del pulso de la sonda pueden, en principio, llegar desde el rango bajo de terahercios hasta el rango ultravioleta. La muestra se puede estimular con láser, presión, pulsos de campo eléctrico o campo magnético. El principio se probó en el HZDR con un láser de laboratorio típico, así como con el láser de electrones libres FELBE. Primeras pruebas en la nueva fuente de terahercios TELBE, que proporciona pulsos de campo eléctrico y magnético extremadamente cortos para la excitación, están en preparación. "En el futuro, no solo veremos qué tan rápido ocurre un proceso, pero también podemos localizar mejor dónde exactamente tiene lugar en la muestra. Esto es especialmente importante para nuestra instalación de TELBE, que estará en funcionamiento el próximo año, "explica Michael Gensch, jefe del proyecto TELBE en el HZDR.