나노입자와 값싼 레이저로 현미경을 10배 더 좋게 만들 수 있다

매우 강력하고 저렴한 현미경은 빛을 강화하는 간단한 방법을 알아낸 새로운 연구의 결과일 수 있습니다.

현재 컴퓨터 칩에 있는 단백질이나 트랜지스터 같은 작은 것을 보려면 전자현미경이 필요하고, 그보다 더 비싸고 불편한 기술이 필요합니다.

이는 특히 의료 연구 및 컴퓨터 칩 제조 분야에서 많은 나노 규모 과학을 방해합니다. 컴퓨터 칩에서 나노 규모의 결함을 확인하지 못하면 수십억 달러의 비용이 발생할 수 있습니다.

그러나 국제 연구팀이 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 발표한 연구는 훨씬 더 간단한 배율로 이어질 수 있는 방법에 도달했습니다.

"현미경으로 보면 꽤 작은 물체를 볼 수 있지만 무한히 작지는 않습니다."라고 호주 국립 대학교(ANU) 비선형 물리학 센터의 연구원이자 수석 저자인 Sergey Kruk 박사는 말합니다.

"한계는 빛의 파장입니다. 특정 현미경에서 볼 수 있는 가장 작은 크기를 정확히 계산할 수 있는 방정식이 있지만, 대략적으로 말하면 빛 파장의 절반만큼 작은 물체도 볼 수 있습니다."

조명에 대한 설명이 필요하신가요? 읽는다: 빛이란 무엇인가?

보라색 광파는 가시광선 중 가장 짧은 길이를 가지며 파장은 약 400나노미터(nm)입니다. 이를 고주파 가시광선이라고도 합니다. 주파수가 높을수록 파장은 짧아집니다.

이는 200nm보다 작은 것을 보는 것이 어렵다는 것을 의미합니다. 대부분의 분자와 모든 원자는 그보다 훨씬 작습니다.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 파장이 더 작은 비가시광선을 사용하는 것입니다.

크룩은 "파장이 100나노미터인 극자외선을 사용하면 약 50나노미터 크기의 물체를 볼 수 있을 것"이라고 말했다.

하지만 이렇게 짧은 파장의 빛을 얻는 것은 쉽지 않습니다.

Kruk은 "자연적인 극자외선 광원은 없으며 인공 광원은 드물고 매우 부피가 크며 매우 비쌉니다."라고 말합니다.

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"예를 들어 싱크로트론은 극자외선을 생성할 수 있습니다. 하지만 이러한 기계는 방 크기부터 건물 크기, 작은 마을 크기까지 어디든 있을 수 있습니다. 자유 전자 레이저는 극자외선을 생성할 수 있지만 다시 말하지만 매우 크고 비용이 많이 드는 설정입니다.

"그래서 내가 이해하기로는 오늘날 테이블 위나 신발 상자 크기에서 극자외선 광원을 얻을 수 있는 유일한 경로는 고조파 생성이라는 프로세스입니다. 이것이 바로 우리가 추구하려고 했던 것입니다."

연구자들은 아직 극자외선에 접근하지 못했지만 낮은 주파수의 광원을 더 높은 주파수로 바꿀 수 있음을 보여주었습니다.

"우리는 기존의 광원인 레이저로 시작했습니다. 우리의 경우 적외선 [광]입니다."라고 Kruk는 말합니다.

"우리는 레이저에서 단일 나노입자에 짧은 광 펄스를 비추었습니다. 그리고 나노입자는 해당 레이저 주파수의 배수를 생성합니다. 이는 주파수의 두 배, 세 배, 네 배의 주파수 등을 생성합니다. 우리의 경우 최대 7배의 주파수가 감지되었습니다."

이것이 실제로 보이는 것은 눈에 보이지 않는 저주파 적외선이 눈에 보이는 청색광으로 바뀌는 것이었습니다.

Kruk은 "빨간색 빛에서 시작하는 설정에 동일한 원리를 적용하고 주파수에 7배를 곱하면 극자외선이 발생한다고 생각합니다."라고 말했습니다.

"이것은 상당히 작고 가격이 적당할 수 있는 상업용 레이저입니다. 그리고 그것은 우리 연구의 참신한 나노입자로 설계되었습니다. 우리 팀은 이러한 입자를 직접 설계하고 제작했습니다."

7번 곱셈에서 멈춰야 할 물리적인 이유도 없습니다. 이는 그들이 사용하고 있던 장비로 감지할 수 있는 가장 높은 숫자일 뿐입니다.

다음으로 팀은 극자외선에 도달하는 방법과 그 사용을 실제로 시연할 수 있는지 확인하는 작업을 진행할 예정입니다.