超過一個世紀以來，光線既幫助我們觀察微小世界，也限制了我們的視野。顯微鏡利用光來放大細胞、微生物和納米材料，但光的波動性使得無法將其聚焦到小於其波長的點。這一衍射極限使得個別原子對於光學顯微鏡來說一直難以觸及。現在，一組研究人員找到了一種克服這個問題的方法。他們使用一台普通的連續波激光和一根尖銳的金屬尖端，將光學測量的精度推向約 0.1 奈米，這與原子之間的距離相當。來自雷根斯堡大學的研究人員瓦爾廷·貝爾格鮑爾表示：“這一量子飛躍將光學顯微鏡推向了常規光學顯微鏡能解析的長度尺度的近 100,000 倍。”
這項解決方案始於將非常尖銳的金屬尖端放置在材料表面附近。尖端與樣本之間的間隙縮小至小於一個原子。當他們將連續波中紅外激光照射到這個設置上時，光被壓縮到那個微小的間隙中，並在尖端的最末端堆積。這已經超越了正常的衍射極限，提供的分辨率約為尖端頂部的大小——約 10 奈米，這比普通顯微鏡要好得多，但仍然不夠精細以觀察原子。然而，當研究人員將尖端更靠近時，意想不到的事情發生了。信號突然變得強大，並顯示出在埃（亞奈米）尺度上的明顯變化，儘管系統是由一個溫和的連續波激光驅動，而非強大的超快脈衝。
研究負責人、雷根斯堡大學的博士生費利克斯·希格爾表示：“在非常小的距離下，信號驟然上升。我們並未立即理解發生了什麼。真正的驚喜是當我們意識到我們在分辨原子尺度的特徵，甚至達到 0.1 奈米。”那麼，這是為什麼呢？其原因來自量子物理。即便尖端和表面並未接觸，電子仍然可以透過間隙隧穿。激光的電場使這些電子在尖端和樣本之間來回擺動。就像天線中的微小電荷移動一樣，它們的運動產生了一個微弱的電磁信號。這使得研究人員能夠通過強度基於光學測量檢測這微弱的光，這被稱為近場光學隧穿發射，直接反映原子尺度的隧穿事件。
這項研究表明，光學工具現在可以探索曾經被認為是光線無法到達的距離。此外，由於該方法使用標準的連續波激光，而不是昂貴的超快系統，使得更多的實驗室能夠採用這一技術。研究人員在研究中指出：“我們的發現使得這種隧穿介導的對比機制可以與標準光學設置一起使用，為前所未有的分辨率的光學成像鋪平了道路。”這可能幫助研究人員研究光與物質的相互作用，在許多關鍵過程實際開始的地方——催化劑、半導體、量子材料和分子電子學的層面。如果成功，這種方法將幫助科學家實現用光觀察和測量原子世界的夢想，這一理想將更接近現實。該研究已發表在《Nano Letters》期刊上。
