拓扑结构光以原子分辨率检测纳米物体的位置

光学成像和计量技术是植根于生物学、医学和纳米技术研究的关键工具。虽然这些技术最近变得越来越先进，但它们所达到的分辨率仍然明显低于使用聚焦电子束的方法所获得的分辨率，例如原子尺度透射电子能谱和冷冻电子断层扫描。

南安普敦大学和南洋理工大学的研究人员最近推出了一种非侵入性光学测量方法，具有原子级分辨率。他们提出的方法，在Nature Materials中概述，可以为各个领域的研究开辟令人兴奋的新可能性，使科学家能够以十亿分之一米的比例表征系统或现象。

“自十九世纪以来，显微镜空间分辨率的提高一直是科学界的一个主要趋势，至少获得了七项诺贝尔奖，”进行这项研究的研究人员之一Nicolay I. Zheludev告诉 Phys.org。“我们的梦想是开发可以用光探测原子尺度事件的技术，我们在过去三年里一直在研究这个问题。

在他们的实验中，Zheludev 和他的同事通过收集波长为 λ = 488 nm 的拓扑结构光衍射图案的单次图像来演示原子尺度计量，这些图像散射在 17 μm 长和 200 nm 宽的悬浮纳米线上，以确定其相对于样品固定边缘的位置。

然后，研究人员在将纳米线放置在301个不同位置时发生的散射图案的单次图像数据集上训练了深度学习算法。经过训练，该算法可以根据团队传感器记录的散射光模式预测给定纳米线的位置。

“我们方法背后的主要思想是使用以非常精细的规模结构的复杂光，即包含奇点的超振荡光，”Zheludev解释说。“如果亚波长物体在这样的场中移动，物体上的光散射图案对物体的形状和位置非常敏感。我们采用一种人工智能形式，对散射光强度分布进行深度学习分析，以重建物体的位置。

在团队的原理验证实验中，他们的光学定位计量方法表现得非常好，以92 pm(即λ / 5，300左右)的亚原子精度解析悬浮纳米线的位置，而纳米线自然热振荡幅度为∼150 pm。作为参考，硅原子的直径为220pm。

“我们最重要的成就是在用光检测纳米物体的位置时达到原子级分辨率，”Zheludev说。“我们已经实现了比传统显微镜高出数千倍的分辨率。我们的工作开辟了皮光子学领域，即皮米尺度上的光物质相互作用科学。

在他们最近的研究中，Zheludev和他的同事证明了使用光学计量学和拓扑结构光来收集原子尺度测量值的潜力。将来，他们论文中引入的方法可以被世界各地的其他研究团队使用，以更详细的方式使用光以非侵入性的方式研究细微现象。

“我们现在正在努力以高帧率检测皮米运动，因此我们可以拍摄一段视频，其中包含纳米级物体布朗运动的真实动力学，”Zheludev补充道。

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