顯微鏡一直是科學家觀察微觀世界的重要工具，能夠揭示從繁忙的細胞到病毒及納米結構的各種細節。然而，即使是最強大的光學顯微鏡也受到一項基本物理法則的限制，即衍射極限，這使得它們無法清晰觀察小於約 200 奈米的物體，而這個尺寸遠遠大於單個原子的大小。
這一限制妨礙了科學家觀察光與個別原子或分子之間的相互作用，這對於材料科學、電子學和量子研究的發展至關重要。最近，一組國際研究人員克服了這一挑戰，開發了一種名為 ULA-SNOM（超低尖端振盪幅度散射型掃描近場光學顯微鏡）的新型成像技術，能夠光學分辨僅 1 奈米大小的特徵，足以用光觀察單個原子。
這項突破可能會改變我們研究物質基本結構的方式，並影響從太陽能電池的製造到化學反應及量子系統的理解。
為了突破傳統光學的分辨率限制，研究團隊基於一種稱為散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM）的技術進行研究。在 s-SNOM 中，金屬尖端被激光照射並掃描材料表面，光線散射形成的圖案揭示了納米級細節。然而，典型的 s-SNOM 設置僅能達到約 10 到 100 奈米的分辨率，這對於原子級成像來說仍然太大。
通過他們的新方法 ULA-SNOM，研究人員成功地將掃描尖端的運動減小到極其微小的程度。在這種方法中，尖端的振盪幅度僅為 0.5 到 1 奈米，約為三個原子的寬度。這種精確的運動足以捕捉光學信號，同時又能檢測到最細微的結構細節。過大的振盪幅度會降低光學分辨率，而過小則會使信號淹沒於噪聲中。
尖端本身由精磨的銀製成，通過聚焦離子束精心塑形，以確保光滑穩定的表面。可見紅激光的波長為 633 奈米，功率為六毫瓦，照射到尖端上，產生一種稱為等離子腔的現象，這是一種在尖端與樣品表面之間形成的小型光口袋。這個腔體的體積被壓縮到僅 1 立方奈米，使其能夠在單個原子的尺度上與材料相互作用。為了保持這一精密設置的穩定，整個實驗在超高真空和 8 開爾文（−265°C）的超冷條件下進行，這消除了振動和污染，幫助尖端保持在距表面僅 1 奈米的精確位置。
隨後，團隊使用一種稱為自同調檢測的專門方法過濾背景光，增強真實信號，使光學數據更清晰可靠。此時，ULA-SNOM 顯微鏡的設置準備就緒進行測試。
研究團隊使用 ULA-SNOM 設置對放置在銀表面上的單原子厚度的矽島進行成像。儘管這些矽層僅有一個原子高，但顯微鏡能清晰顯示矽與銀之間的界限，不僅在形狀上，還在每種材料對光的反應上。
這一結果確認了該系統能夠在原子分辨率下捕捉真實的光學對比度。該顯微鏡還提供了獨特的功能，能同時收集不同類型的信息。除了光學信號外，該設置還使用內置的掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡功能測量電導率和機械力。
此外，通過分析尖端在不同振動頻率（諧波）下的反應，團隊能夠分離來自不同來源的信號。尤其是第四諧波，揭示了材料之間光學行為的明顯差異。
當科學家將 ULA-SNOM 的空間分辨率與傳統 STM 的分辨率進行比較時，發現 ULA-SNOM 的光學圖像的細節約為 1 奈米，與 STM 的 0.9 奈米分辨率幾乎相同。這使得研究人員首次能夠清晰地看到單個原子或缺陷如何影響材料的光學行為。這一發展可能促進電子學中納米結構的精確設計、新光子材料的發現，甚至是更高效的太陽能電池的研發。
此外，科學家還可以利用這一技術研究量子點、單分子傳感器或生物結構，以前所未有的細節進行觀察。然而，ULA-SNOM 需要超冷卻、超高真空、精心塑形的金屬尖端和穩定的激光系統，這些工具僅在專業實驗室中可用。未來的研究希望能使這一方法變得更具實用性、可接近性和可擴展性。該研究已發表於期刊《Science Advances》。
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