Uzun Ömürlü Kuantum Işıyıcı ile Tek-Molekül Çözünürlüklü Doğrusal-Olmayan SNOM Görüntülemesi

TÜBİTAK Projesi, 1001 - Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı, 2021 - 2024

Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
Destek Programı: 1001 - Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı
Başlama Tarihi: Eylül 2021
Bitiş Tarihi: Mayıs 2024

Proje Özeti

Yeni nesil görüntüleme ve spektroskopi teknikleri, ör. yüzey-güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (SERS), taramalı yakın-alan optik spektroskopisi (SNOM), nanoyapıların ışığı nm-boyutlu sıcak noktalara plazmon uyarımları olarak odaklamasına dayanır. Metal kaplı bir atomik kuvvet mikroskobu (AKM) iğnesi görünür ışıkta 10nm’ye kadar çözünürlük sağlayabilir.

SNOM, femtosaniye lazer kaynağı ile kullanıldığında, kısa zamanlı (ör. protein yapı değişiklikleri) ve yüksek çözünürlüklü (10nm, 10fs) görüntülemeyi ve aynı boyutta yüzey manipülasyonunu mümkün kılmaktadır. SNOM’da, çözünürlük AKM iğnesi ucunun kalınlığı ile sınırlı olduğundan, çözünürlük artırımı ancak yeni olgular ile mümkün kılınabilir.

Sıcak noktaya yakınında bulunan uzun uyarım süreli bir kuantum noktası (KN) veya karanlık mod, parlak plazmon ile güçlü olarak etkileşir. 2020 tarihli çalışmamızda (Yildiz vd.,2020) normalde kısa sürede (10^-14–10^-13s) sönümlenen parlak plazmonların yaşam süresinin bir karanlık-mod (uzun yaşam süreli) destekleyen nesnenin yakınında, —sadece uzun yaşamlı nesnenin yanında— arttırılabileceğini gösterdik.

Diğer taraftan, 2020 tarihli yayınlanmamış bir çalışmamızda (Ovali vd.,2020); aynı etkinin (plazmon yaşam-süresi uzaması), uzun yaşam süreli bir KN’nin hemen yanında da meydana geldiğini gösterdik. Simülasyonda, metal kaplı bir AKM iğnesinin ucuna KN yerleştirdik ve 5 fs atımlı lazer ile uyardık. Yakın-alan ışık şiddeti metal iğnenin diğer yerlerinde ~20 fs’de tamamen yok olurken, sadece nm-altı KN’sinin olduğu bölgede ~250fs durabildiğini gösterdik. Dolayısıyla, 20 fs sonra saçılma sinyali sadece KN’sının olduğu bölgeden geliyordu. 250 fs’deki toplam saçılmayı hesaplayarak nm-altı çözünürlük olabileceğini gösterdik.

Günümüz teknolojisi ile mümkün olduğu halde (Schell vd.,2014), AKM iğnesinin ucuna tek KN’sinin (molekül, kuantum noktası) yerleştirilmesinin zor olması nedeniyle 2 boyutlu Geçiş Metali Dikalkojenlerindeki (TMD) bükülme ile oluşan kusur kullanımını önerdik (Palacios-Berraquero vd.,2017;Wu vd.,2019). Kusur, bükülmenin en yüksek olduğu yerde, iğnenin ucunda oluşmaktadır.

Lakin, FDTD kullanarak temel prensibini gösterdiğimiz nm-altı çözünürlüklü SNOM simülasyonumuzda, deneylerde gözlenen merceğe gelen katı-açıdaki saçılmayı değil, toplam saçılmayı hesapladık. Ayrıca 2D TMD’nin kusur merkezi haricindeki bölgelerdeki emilimini hesaba katmadık (bu emilim SNOM lehine katkıda bulunacaktır). Diğer bir eksiklik; çalışmamızda çözünürlüğü optimize eden, farklı emilim frekanslarında çalışan bir çalışma yürütmedik.

Yeni gösterdiğimiz olgu (Ovali vd.,2020), doğrusal görüntülemenin (SNOM) yanısıra, arka-plan-gürültüsüz doğrusal-olmayan görüntülemede de kullanılabilir. Daha önemlisi, bu, ayrıca, ilk nm-altı optik modülatör ve anahtarlamasını mümkün kılabilir. [Karanlık plazmon modları ile doğrusal olmayan sinyal artırımı zaten bilinen, yakın zamanda büyük gruplarca çalışılmış olan (görüntüleme için değil) bir olgudur (Zhang vd.,2013;He vd.,2016;Ye vd.,2012). Fakat, karanlık modun uzaysal profili nm-altı değildir.]

Bu projede, doğrusal (SNOM), doğrusal-olmayan görüntüleme ve optik kontrol çözünürlüklerini nm-altına indirecek sistemlerin deneylerle ölçülebilen ve el altında bulunan lazer ve KN’lerini optimize eden simülasyonlarını yapmak istemekteyiz. Sırası ile; (i) nm-altı SNOM için deneyle ölçülen saçılımın, emilimi de katarak FDTD ile hesaplanması ve Türkiye’deki deneysel gruplar için optimizasyonu, (ii)nm-altı SNOM’un nm-altı kimyasal tepkime için yüzeyi ne kadar ısıtabildiğinin hesabı, (iii)tek KN ile çıkan frekansın yaşam-süresini sadece KN’de uzatarak nm-altı çözünürlüklü ultrahızlı Raman (TERS) (Postaci vd.,2018; Taşgın vd.,2018) hesaplarını FDTD ile yapacağız. Doğrusal-olmayan görüntüleme için (iv,a)tek ve (iv.b) çift KN ile üçüncü frekans üretimi (THG) (Turkpence vd.,2014;Schaller vd.,2000) ve (v,a)tek ve (v.b) çift KN ile dört-dalga karışması (FWM)(Singh vd., 2016) ultrahızlı FDTD doğrusal olmayan kontrol simülasyonları yapacağız.

Bu çalışmaların her biri görüntüleme ve nanooptik kontrol tekniklerini değiştirecek niteliktedir. Bu sistemleri Türkiye’de çalışan gruplar ve üreten/satan şirketler bulunduğu düşünüldüğünde, ülkemiz için ürüne dönüşme potansiyelinin yüksekliği anlaşılabilir. Nm-altı doğrusal ve doğrusal olmayan görüntüleme ve optik kontrol daha önce gösterilmemiş, 2020’de yayınlanan lokal yaşam süresi uzatma fenomenine dayanmaktadır (Yildiz vd.,2020;Ovalı vd.,2020). Kuantum optiğin, minyatürizasyon (nanoteknoloji) ile nanoboyutlu kuantum teknolojilerine (kuantum plazmonik) evrildiği bu dönemde; bu alanda kuramsal ve simülasyon alanında yetiştirilmiş akademisyenlere ve nitelikli çalışmalara ihtiyaç vardır. Önceki projelerimizde yetişen akademisyenler (ör. tek yazarlı PRA yayını yapan Mehmet Günay (Günay,2020)) ve öncü çalışmalar (Günay vd.,2020a; Günay vd.,2020b;Tasgin vd.,2020a;Tasgin vd.,2020b;Tasgin 2015;Yuce vd.,2020;Günay vd.,2019;Ovalı vd.,2020) bu yönde büyük katkılar sağlamıştır.

Ayrıca, projemiz “Yenilikçi Fotonik Teknolojileri1” isimli öncelikli alanlar kategorisindedir.