Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 25 – vyšlo 20. června, ročník 3 (2005) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

25/2005

Plazmonová mikroskopie

David Břeň

Při optické mikroskopii jsou hranice možností pozorování zdánlivě dány na první pohled. Velikost předmětu by měla být větší nebo alespoň srovnatelná s vlnovou délkou světla, kterým předmět pozorujeme. Na Marylandské univerzitě a Královské univerzitě v Belfastu byl ale vyvinut nový postup pro optickou mikroskopii s rozlišením mnohem vyšším, než je vlnová délka světla, použitím povrchových plazmonůPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru.. Povrchové plazmony jsou excitace vln v koncentraci elektronů, které se pohybují podél rozhraní mezi vodičem a dielektrikem. Tyto vlny mohou být vybuzeny fotony, a mohou naopak fotony vybudit. Když je frekvence budícího záření blízká plazmové frekvenci elektronůPlazmová frekvence elektronů – charakteristická frekvence oscilací a vln v plazmatu, která souvisí s pohyby elektronů na pozadí iontů. Vratnou silou je Coulombova elektrická síla vznikající vychýlením souboru elektronů oproti souboru iontů. Tato frekvence závisí především na koncentraci elektronů, ω_p=(n_ee²/m_eε₀)^1/2. Pod touto frekvencí se nemohou šířit řádné elektromagnetické vlny. Při nižších frekvencích totiž energii vlny přebírají oscilace elektronů. Měřením plazmové frekvence lze určit koncentraci plazmatu. v kovu, vlnová délka plazmonů se stává mnohem kratší než je vlnová délka budícího záření. Tento jev umožňuje použití plazmonůPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. v různých technikách, které překonávají hranice ohybových jevů světla.

Plazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. Kvazičástice – z místa na místo se přesouvající rozruch neboli excitace budící dojem pohybu skutečné částice. Příkladem mohou být postupně padající kostky domina, překlápějící se elementární spiny, šířící se vibrační kvantum v krystalu nebo excitace hustotní vlny elektronů. Plazmová frekvence elektronů – charakteristická frekvence oscilací a vln v plazmatu, která souvisí s pohyby elektronů na pozadí iontů. Vratnou silou je Coulombova elektrická síla vznikající vychýlením souboru elektronů oproti souboru iontů. Tato frekvence závisí především na koncentraci elektronů, ωp=(nee2/meε0)1/2. Pod touto frekvencí se nemohou šířit řádné elektromagnetické vlny. Při nižších frekvencích totiž energii vlny přebírají oscilace elektronů. Měřením plazmové frekvence lze určit koncentraci plazmatu. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Litografie – metoda tisku na hladké povrchy, současně metoda úpravy povrchu polovodičů. Speciálním případem je imersní litografie, jejímž základem je odpuzování oleje a vody. Část povrchu média má za pomocí leptání kyselinami implementován do své struktury olej. Při tisku je povrch pokryt vodou, barva rozpustná v oleji přilne jen k leptaným částem. Obdobnou metodou je elektronová litografie, jejíž podstatou je bodový zápis difrakční mikrostruktury (pomocí skenovacího elektronového paprsku). Záznam se provádí do fotorezistu, kde vzniká po expozici a chemickém odleptání reliéfní profil.

V tomto novém mikroskopu je vzorek umístěn na vrstvičku zlata (vodiče) a je ponořen do kapičky vody nebo glycerinu (dielektrika). Argonovým laserovým světlem o vlnové délce 502 nm jsou excitovány plazmonyPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. na rozhraní zlato – glycerin. Tyto povrchové plazmonyPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. mají vlnovou délku pouze 69,8 nm! Výsledné rozlišení je zcela mimořádné a efektivní index lomu 7,14 je mnohem větší než index lomu jakékoliv tekutiny.

Zdrojem plazmonůPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. jsou jsou jakékoliv nepravidelnosti na povrchu kovu, tedy i tyto dírky vyškrábané na povrchu zlaté folie. Emitované plazmony jsou fokusovány na kovovém povrchu téměř parabolickým okrajem kapičky, takže vytvoří zvětšený obraz dírky v centrální části kapičky. Když se plazmony setkají s nepravidelnostmi povrchu vzorku na rozhraní kov – dielektrikum, vytvoří páry s fotony emitovanými z povrchu. A konvenční optický mikroskop pak může pozorovat již zvětšený obraz.

Povrchové plazmony jsou excitovány laserovým světlem a šíří se uvnitř kapičky parabolického tvaru. Umístěním vzorku poblíž ohniska paraboly získáme zvětšený obraz na povrchu kovu, který můžeme pozorovat obyčejným optickým mikroskopem. Zdroj: Igor I. Smolyaninov, University of Maryland.

V experimentu provedeném Igorem Smolyaninovem z Marylandské univerzity bylo jako vzorku k demonstraci rozlišení až 60 nm použito uměle vytvořené testovací pole nanodírek. To je rozměr srovnatelný s vlnovou délkou plazmonůPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. a je to jen osmina vlnové délky světla laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. nasvěcujícího vzorek. Smolyaninov tvrdí, že teoreticky tyto mikroskopy mohou dosáhnout rozlišení pouhých několika nanometrů! To by umožnilo zobrazení jednotlivých virů nebo molekul DNA.

Výhodou této metody je také to, že vzorky ponořené do vodního prostředí nejsou na rozdíl od elektronové mikroskopie zničeny. Rovněž je pozoruhodné, že tento proces použitý reverzně může vytvořit litografický vzorek. Imersní (ponorná) litografieLitografie – metoda tisku na hladké povrchy, současně metoda úpravy povrchu polovodičů. Speciálním případem je imersní litografie, jejímž základem je odpuzování oleje a vody. Část povrchu média má za pomocí leptání kyselinami implementován do své struktury olej. Při tisku je povrch pokryt vodou, barva rozpustná v oleji přilne jen k leptaným částem. Obdobnou metodou je elektronová litografie, jejíž podstatou je bodový zápis difrakční mikrostruktury (pomocí skenovacího elektronového paprsku). Záznam se provádí do fotorezistu, kde vzniká po expozici a chemickém odleptání reliéfní profil. nyní umožňuje zmenšení charakteristických velikostí o 30 %. Snížení velikosti ještě sedmi či osminásobně by umožnilo vývoj litografických nástrojů nové generace, které by byly srovnatelné s postupy založenými na rentgenovém nebo UV záření. Nicméně velkým omezením se může stát nezbytnost vodivého povrchu.

Test rozlišení mikroskopu. Pole tripletů nanodírek je umístěno v kapičce glycerinu. Zdroj: Igor I. Smolyaninov, University of Maryland.

Trojice dírek po konečném zvětšení.
Zdroj: Igor I. Smolyaninov, University of Maryland.

Klip týdne: Kočičí oko - umírající hvězda

Na klipu můžete vidět odhozené obálky umírající hvězdy. V závěrečných stádiích vývoje přeměňují hvězdy v nitru termojadernou syntézou prvky na těžší a těžší, až po jádra železa, která mají nejvyšší vazebnou energii. V těchto závěrečných fázích hvězdy často odhazují své vnější obaly a kolem nich vznikají rozsáhlé mlhoviny, kterým říkáme planetární mlhovinyPlanetární mlhovina – odhozená obálka hvězdy v jejím závěrečném stádiu vývoje. Za roztodivné tvary planetárních mlhovin může přítomné magnetické pole. Planetární mlhoviny nemají nic společného s planetami, název vznikl na základě podobnosti mlhoviny s kotoučkem planety v malých dalekohledech.. Na počátku klipu je vidět celá odhozená obálka (Digital Sky Survey 2DSS – Digitized Sky Surveys (DSS 1, DSS 2) jsou celooblohové digitalizované přehlídky snímků z Palomarského (USA) a Schmidtova (Anglie) dalekohledu. Snímky pokrývají pásma E, V, J, R a N. Fotografické desky zabírající pole 6,5°×6,5° byly skenovány s rozlišením 1″. Snímky jsou přístupné ve formátech FITS a GIF.). Následuje zoom do vnitřní části obálky (Nordic Optical TelescopeNOT – Nordic Optical Telescope. Dalekohled spravovaný společností NOT Scientific Association (NOTSA), založenou v roce 1984. Dalekohled je umístěn na ostrově La Palma na Kanarských ostrovech. Má altazimutální montáž, hmotnost 43 tun, průměr primárního zrcadla 2,56 m ohniskovou vzdálenost 5,12 m a průměr sekundárního zrcadla 0,51 m. Dalekohled byl uveden do provozu v roce 1988.) a na závěr pohled do bezprostředního okolí hvězdy (HSTHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.). Podle svého vzezření se mlhovina nazývá Kočičí oko a nachází se v souhvězdí Draka, katalogové označení má NGC 6543. Zdroj: HST.

Odkazy