Een molecuul als detector van sub-golflengte veldverdelingen

Optische velden op nanometer schaal zijn slechts te adresseren door bronnen/detectoren met nanometer dimensies. Enerzijds kan men bron- of detector-dimensies verkleinen tot subgolflengte: nabije-veld optische probes; anderzijds kan men moleculen of nanokristallen inzetten om het locale veld in detecteerbare emissie om te zetten. Hier beschrijven wij de combinatie: individuele moleculen in het locale optische veld van een nabije-veld probe. Nabije-veld optische microscopie (near-field scanning optical microscopy, NSOM) vereist een nabije-veld probe van hoge kwaliteit met een bronopening die substantieel kleiner is dan de gebruikte golflengte. Recentelijk hebben we hoge definitie NSOM-probes ontwikkeld door middel van etsen met gefocusseerde ionen bundel (focused ion beam, FIB) (Veerman et al., 1998). Deze probes geven een “grote” helderheid (~1 microWatt), bij < 80 nm opening (~ 104 W/cm2), polarisatie extinctie ratio > 1:100, een goede rand-scherpte (6 nm) en een vlakker oppervlak dan conventionele NSOM-probes. Een eerste indruk van deze optische nano-bronnen verkrijgen wij door beelden te maken met behulp van een FIB, met verre-veld optische metingen en met een schuif-kracht (shear force) microscoop (SFM). De FIB-beelden verschaffen geometrische informatie, en de verre-veld optische metingen leveren transmissie- en polarisatiekarakteristieken op. Shear force microscopie is een niet eerder gebruikte methode om de grootte van de opening en het oppervlak van de probe te bestuderen (met een ruwheid kleiner dan 1.5 nm). De locale optische velden hebben wij bepaald met single molecule imaging in het nabije veld. Hier demonstreren we het gebruik van individuele moleculen om de volledige driedimensionale optische nabije veld-distributie van de probe te meten met een ruimtelijke resolutie op moleculaire schaal. De single molecule images vertonen verschillende intensiteitspatronen, afhankelijk van de oriëntatie van de moleculen ten opzichte van de probe. Uit de patronen is zowel de positie als de dipool-orientatie van de individuele moleculen direct te bepalen. De optische resolutie van de moleculaire patronen wordt niet bepaald door de grootte van de opening, maar door de hoge gradiënt van het optische veld aan de rand van de opening.