Фотоиндуцированная силовая микроскопия зародилась как концепция в голове Кумара Викрамасингхе, когда он работал в IBM в начале нового тысячелетия. После того как он перешёл в Калифорнийский университет в Ирвайне в 2006 году, концепция превратилась в изобретение, которое должно было революционизировать исследования, позволив учёным изучать фундаментальные характеристики материи с нанометровым разрешением.
С момента первых экспериментальных применений PiFM около 2010 года устройство, которое раскрывает химический состав и пространственную организацию материалов на молекулярном уровне, стало предпочтительным инструментом для исследователей в таких областях, как биология, геология, материаловедение и даже производство современной электроники.
«Это история технологии, которая была вдохновлена работой в IBM, была изобретена и разработана в Калифорнийском университете в Ирвайне, затем была выделена в отдельное направление, и теперь у нас есть инструменты на всех континентах мира, кроме Антарктиды», — говорит Викрамасингхе, заслуженный профессор Генри Самуэли и почётный заслуженный профессор кафедры электротехники и компьютерных наук, который сейчас носит звание профессора выдающихся исследований Калифорнийского университета в Ирвайне. «Почти везде, где проводятся серьёзные исследования, есть люди, которые используют PiFM для открытия нового».
Чтобы отметить изобретение PiFM и её распространение в научном сообществе, журнал Nature Reviews Methods Primers недавно опубликовал статью, в которой описываются возможности и применение технологии, а Викрамасингхе и международная команда коллег стали соавторами.
Викрамасингхе говорит, что первоначальная работа над PiFM в Калифорнийском университете в Ирвайне стала возможной благодаря поддержке, которую он получил от Фонда Самуэли и неограниченному финансированию от Фонда В. М. Кека.
«Это действительно полезно, потому что, когда у вас есть сумасшедшие идеи, подобные этой, очень трудно заставить Национальный научный фонд или другое агентство поддержать их, потому что они хотят сначала увидеть результаты, прежде чем давать вам деньги», — говорит он.
В конце концов, ныне закрытый Центр химии на границе пространства-времени в Калифорнийском университете в Ирвайне, финансируемый Национальным научным фондом, действительно предоставил поддержку. Его исследователи разделяли видение того, что, объединив нелинейную оптику со сканирующей зондовой микроскопией, можно будет визуализировать молекулы в действии с атомистической детализацией.
«Атомно-силовая микроскопия, которую впервые применил профессор Викрамасингхе, занимала центральное место в исследованиях, которые мы проводили в CaSTL», — говорит В. Ара Апкарьян, директор центра. «Узнав о работе Кумара над PiFM в кампусе, мы немедленно пригласили его присоединиться к центру и начали совместные усилия, которые продолжались до закрытия центра в 2019 году. Это была счастливая случайность, но нам повезло, что среди нас был профессор Викрамасингхе, чья недавно изобретённая PiFM имела огромные перспективы для достижения наших целей».
Апкарьян, заслуженный профессор химии Калифорнийского университета в Ирвайне, говорит, что первые изображения PiFM с разрешением в пространстве-времени на нанометро-пикосекундной шкале стали результатом усилий нескольких исследователей, которые были опубликованы в печати в 2015 году.
Викрамасингхе говорит, что вдохновение для технологии фотоиндуцированной силовой микроскопии возникло в заметках, которые он подготовил для лекции по физике полупроводников. Он говорит, что металлические полупроводниковые переходы, которые можно найти практически во всех чипах, могут стать диодами, подобными тем, что используются в солнечных элементах.
Согласно Викрамасингхе, когда отрицательное напряжение прикладывается к металлической стороне полупроводникового перехода n-типа, ток практически не течёт, поскольку электроны должны преодолеть большой потенциальный барьер, чтобы попасть в полупроводник. Ток очень мал по сравнению с электронами, движущимися в противоположном направлении.
«Когда то же отрицательное напряжение прикладывается к полупроводниковой стороне, электроны «видят» гораздо меньший барьер на стыке, что приводит к токам на порядки выше», — говорит он. «В последнем случае существует дополнительный эффект, который ещё больше увеличивает ток. Когда электрон приближается к полупроводниковому переходу, он «видит» своё изображение положительного заряда на металлической стороне, и сила притяжения между отрицательным электроном и его изображением положительного заряда дополнительно снижает барьер для перехода электрона — эффект, который легко обнаружить в токе».
Викрамасингхе говорит, что он подумал, что, поскольку этот переход через барьер электронов легко заметен, он мог бы напрямую наблюдать и измерять электромагнитные силы, участвующие во взаимодействии между оптически управляемой молекулой и её зеркальным отражением, которое он называет «силой изображения».
«Молекула, которая управляется извне светом, будет не просто одним зарядом, а диполем — осциллирующей парой зарядов минус и плюс», — говорит он. «На другой стороне перехода будет зеркальное отражение — плюс/минус заряд, когда молекула приближается к металлической поверхности, что приводит к силе притяжения. Мы начали пытаться обнаружить эту силу, и наш успех привёл к созданию этого инструмента».
Согласно Викрамасингхе, существует несколько методов, сочетающих оптику и сканирующую зондовую микроскопию, классифицируемых как «сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля». Эти методы используют наконечник или острый стилус для фокусировки света на стыке самого наконечника и исследуемой подложки, а также детектор для измерения интенсивности рассеянного света. Контраст изображения достигается за счёт того, что материя окрашена — разные молекулы по-разному реагируют на разные цвета света.
В отличие от всех других методов, PiFM обнаруживает рассеянные фотоны на стыке по электромагнитной силе, которую они оказывают на наконечник. Используя продуманные схемы модуляции, Викрамасингхе говорит, что можно обнаружить импульс отдельных фотонов.
Лаура Оттер, научный сотрудник в области наук о Земле в Австралийском национальном университете, говорит, что использует PiFM в своей роли учёного, специализирующегося на биоминерализации — процессе, в ходе которого живые организмы формируют минералы. Оттер говорит, что ей интересно исследовать на микро- и наноуровне, как раковины моллюсков, отолиты (кости уха позвоночных) и кораллы растут и реагируют на изменение окружающей среды.
«PiFM позволяет мне глубоко погрузиться в мои образцы и составить карту того, где органические молекулы и минералы встречаются на нанометровом уровне, что невозможно с помощью других методов. Используя PiFM, я смогла визуализировать, как минеральный компонент перламутра переходит из аморфного состояния в кристаллическое и как начальная аморфная фаза включает большее количество микроэлементов, чем мы ожидали», — говорит Оттер. «Это открытие имеет важное значение для реконструкции прошлых условий окружающей среды по материалам раковин».
Помимо того, что PiFM используется учёными по всему миру, на кампусе Калифорнийского университета в Ирвайне есть несколько таких устройств, в том числе в биологических, материаловедческих и химических лабораториях.
Викрамасингхе говорит, что возможности PiFM выходят за рамки фундаментальных наук и распространяются на область передовой электроники и других технологий.
«Поскольку у него есть возможности спектроскопии на нанометровом уровне, PiFM подходит для многих промышленных применений. Например, вы можете использовать его для картирования и изучения химии наиболее передовых литографически напечатанных схем до того, как они будут произведены в массовом масштабе, что позволит вам проверить, находится ли ваш процесс на правильном пути», — говорит он. «Если вы используете Apple iPhone, например, есть большая вероятность, что объектив на его камере в какой-то момент был отсканирован с помощью инструмента, который мы создали здесь, в Калифорнийском университете в Ирвайне».
Викрамасингхе отмечает: «До того, как была разработана фотоиндуцированная силовая микроскопия, в науке, безусловно, был пробел — неспособность проводить инфракрасную спектроскопию на нанометровом уровне. Это была дыра, которую я пытался заполнить в течение многих лет. Это был медленный процесс, но приятно видеть, как PiFM прижилась и теперь помогает в научных исследованиях практически повсюду».
Предоставлено
Калифорнийским университетом в Ирвайне