Πέρα από το περιθλαστικό όριο

Οι περισσότεροι από εμάς έχουμε στην κατοχή μας μία συσκευή με τη βοήθεια της οποίας μπορούμε να μεγεθύνουμε μια εικόνα. Εύκολα παρατηρεί κανείς ότι ζουμάροντας σταδιακά, φτάνουμε σε ένα σημείο στο οποίο οι λεπτομέρειες που προσπαθούμε να δούμε είναι πλέον πολύ θολές για να γίνουν διακριτές.

Το όριο αυτό εμφανίζεται στην ανάλυση των φωτογραφικών μηχανών, των τηλεσκοπίων, μέχρι και στο πιο τεχνολογικά εξελιγμένο οπτικό μικροσκόπιο. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει σε προηγούμενο άρθρο, δε σχετίζεται με την περιορισμένη κατασκευαστική μας ικανότητα. Αντιθέτως, αποτελεί θεμελιώδη ιδιότητα οποιουδήποτε οπτικού συστήματος απεικόνισης και ονομάζεται περιθλαστικό όριο.

Υπάρχει άραγε τρόπος να υπερνικήσει κανείς αυτό το εμπόδιο; Η οπτική κοντινού πεδίου (near-field optics), η μικροσκοπία εντοπισμού (localization microscopy) και η πλασμονική (plasmonics) είναι τρεις βασικές τεχνικές. Εδώ θα ασχοληθούμε με την πρώτη.

Θεωρήστε το απλούστερο σύστημα ενός αντικειμένου που ακτινοβολεί (για τους φυσικούς αυτό πολύ συχνά σημαίνει ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό δίπολο). Ένα μέρος του φωτός που παράγεται από το αντικείμενο διαδίδεται στο χώρο, ενώ το υπόλοιπο έχει τη μορφή “φθινόντων κυμάτων”, των οποίων η ένταση φθίνει εκθετικά όσο αυτά απομακρύνονται από την πηγή. Συνεπώς, η πληροφορία που κουβαλάνε επιβιώνει μόνο στο χώρο εξαιρετικά κοντά στην πηγή και έτσι λέμε ότι αποτελούν το κοντινό πεδίο. Εφόσον τα φθίνοντα κύματα σβήσουν, δεν υπάρχει κανένας τρόπος να ανακτήσουμε αυτήν την πληροφορία, κάτι που μεταφράζεται τελικά ως θόλωμα των λεπτομερειών του αντικειμένου που παρατηρούμε.

Τα οπτικά μικροσκόπια και γενικότερα η συμβατική οπτική βασίζεται στην καταγραφή των διαδιδομένων κυμάτων (μακρινό πεδίο) για αυτό και πάντα περιορίζονται από το περιθλαστικό όριο. Φέρνοντας τον αισθητήρα του οργάνου πολύ κοντά στο αντικείμενο που μελετάμε, μπορούμε να αιχμαλωτίσουμε την πληροφορία που φέρουν τα φθίνοντα κύματα πριν αυτά σβήσουν. Ωστόσο, ακόμα και αν τοποθετήσουμε τον αισθητήρα στο κοντινό πεδίο, η πληροφορία συνεχίζει να έχει τη μορφή φθίνοντος κύματος και θα χαθεί πριν προλάβει να αξιοποιηθεί. Πρέπει, άρα, να μετατραπεί σε μια μορφή που να μπορεί να διαδοθεί. Πολύ συχνά η μετατροπή γίνεται μέσω του φαινομένου σήραγγας¹, κατά το οποίο φθίνοντα κύματα διασχίζουν ένα κλασικά απαγορευμένο εμπόδιο και συνεχίζουν την πορεία τους ως διαδιδόμενα κύματα.

Η διαδικασία συλλογής και μετατροπής των φθινόντων κυμάτων σε διαδιδόμενα φωτόνια -ιδέα που αναπτύχθηκε αρχικά από τον Edward Hutchinson Synge το 1928- αποτελεί την αρχή λειτουργίας των σύγχρονων οργάνων καταγραφής του κοντινού πεδίου SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy). Μία τυπική διάταξη SNOM διαθέτει συνήθως μία πολύ αιχμηρή μεταλλική μύτη, η οποία χρησιμοποιείται για τη συλλογή του κοντινού πεδίου, καθώς επίσης, σε ορισμένους τύπους SNOM, και για τη διέγερσή του. Το δείγμα, λοιπόν, διεγείρεται με φως και η μεταλλική μύτη της διάταξης συλλέγει το κοντινό πεδίο, το μετατρέπει σε διαδιδόμενα φωτόνια, αυτά οδηγούνται κατά μήκος του μηχανισμού και τελικά καταγράφονται. Έτσι, η ανάλυση της απεικόνισης δεν εξαρτάται πλέον από το μήκος κύματος, αλλά από τις διαστάσεις της μύτης της διάταξης και μπορεί να φτάσει έως και μερικές δεκάδες νανόμετρα (nm).

Οι διατάξεις SNOM μας έδωσαν, λοιπόν, τη δυνατότητα να κατεβάσουμε τη διακριτική μας ικανότητα από τα 200 nm  που μας επέτρεπαν τα οπτικά μικροσκόπια, στα 50 nm και να παρατηρήσουμε, μεταξύ άλλων, βιολογικές δομές, όπως ιούς και πρωτεΐνες, της τάξης των 1-100 nm. Σύγχρονες παραλλαγές της μεθόδου επιτυγχάνουν ακόμα καλύτερη ανάλυση, ανοίγοντας το δρόμο για να κατανοήσουμε την ύλη σε όλο και πιο θεμελιώδες επίπεδο.

¹ Έστω ότι βρισκόμαστε μπροστά σε ένα χαμηλό φράγμα κρατώντας μία μπάλα. Από την κλασική μηχανική γνωρίζουμε ότι αν κυλήσουμε την μπάλα με δύναμη που δεν επαρκεί για να φτάσει την κορυφή του φράγματος τότε η μπάλα δε θα βρεθεί ποτέ στην πίσω μεριά του φράγματος. Στον κόσμο της κβαντικής μηχανικής, όμως, η κβαντική μας μπάλα που διαθέτει ενέργεια μικρότερη από το λεγόμενο “φράγμα δυναμικού” έχει μία σημαντική πιθανότητα να το διαπεράσει, συνεχίζοντας την πορεία της πίσω από αυτό.