光ナノスコープで量子ドットをイメージング

February, 2, 2018, Basel--物理学研究チームが､ナノスケールで原子画像実現に使える光学顕微鏡ベースの技術を開発した｡特に､新方法は半導体チップにおける量子ドットのイメージングを可能にする｡
ルール大学ボーフムの研究者とともに､バーゼル大学の物理学部およびスイスナノサイエンス研究所の研究チームは､Nature Photonicsに研究成果を発表した｡
　われわれは､他の方法では人の目に見えない構造を顕微鏡で見ることができる｡とは言え、従来の光学顕微鏡は個々の分子や原子のイメージングに使うことはできない｡これらは､直径が1nmのほんのわずかの大きさに過ぎないからである｡これは、光の波動性およびそれに関連する物理法則に関係しており､1873年にドイツの物理学者､Ernst Abbeが定式化した｡
　このような法則に従い､顕微鏡の最大解像度は、使用する光波長の半分に等しい｡例えば､波長500nmの緑色光を使うと､光学顕微鏡は､せいぜい250nmの距離でしか対象を区別できない｡
しかし､最近では､研究者はこの解像度の制約を回避し､直径がわずか数ナノメートル(nm)の構造の画像を生成できるようになった｡そのために､様々な波長のレーザを使い､物質の一部で分子の蛍光を発光させる｡同時に周辺では蛍光を抑制する｡これにより､研究者は､サイズがわずか数nmの色素分子などの構造を撮像することができる｡この方法(誘導放射抑制:STED)の開発は､2014年にノーベル化学賞を受賞している｡
　バーゼル大学物理学部およびスイスナノサイエンス研究所､Richard WarburtonのチームのTimo Kaldeweyは､ルール大学ボーフムの研究者と協働して､ナノスケール対象物､特に量子力学2準位系のイメージングができる同様の技術を開発した｡
　研究チームは､量子ドット､半導体の人工原子を研究した｡新しい方法は､量子ドットを輝点として撮像することができた｡研究チームは､その原子を､パルス毎に色が変わるパルスレーザで励起した｡その結果、原子の蛍光がON/OFFに切り替わる｡
　STED法が､レーザ励起に応じて､少なくとも4つの異なるエネルギー準位を占めることによって動作するのに対して､バーゼルの新しい方法は､わずか2つのエネルギー状態の原子で機能する｡この種の2状態システムは､量子力学の重要なモデルシステムを構成する｡
　STED顕微鏡と違い､新しい方法は､熱も発しない｡｢これは大きな優位性である､発熱は調べている分子を壊すからである｣とRichard Warburtonは説明している｡｢われわれのナノスコープは､2エネルギー準位の全ての物質に適している､例えば実際の原子､コールド分子､量子ドット､あるいはカラーセンタなどに適している｣と同氏は話している｡