Supersoczewki - Superlens

A superlens lub Super obiektyw , to obiektyw , który wykorzystuje metamateriały wyjść poza granicę dyfrakcji . Granica dyfrakcji jest cechą konwencjonalnych soczewek i mikroskopów, która ogranicza dokładność ich rozdzielczości. Zaproponowano wiele konstrukcji soczewek, które w jakiś sposób wykraczają poza granicę dyfrakcji, ale na każdym z nich napotykają ograniczenia i przeszkody.

Historia

W 1873 roku Ernst Abbe poinformował, że konwencjonalne obiektywy nie są w stanie uchwycić niektórych drobnych szczegółów danego obrazu. Super obiektyw ma za zadanie uchwycić takie szczegóły. Ograniczenie konwencjonalnych soczewek hamuje postęp w naukach biologicznych . Dzieje się tak dlatego, że wirus lub cząsteczka DNA nie może być rozpoznana za pomocą konwencjonalnych mikroskopów o najwyższej mocy. Ograniczenie to rozciąga się na procesach minutowych białek komórkowych ruchomych wzdłuż mikrotubul o żywej komórki w ich naturalnych środowiskach. Dodatkowo chipy komputerowe i powiązana z nimi mikroelektronika są produkowane na coraz mniejszą skalę. Wymaga to specjalistycznego sprzętu optycznego , który również jest ograniczony, ponieważ wykorzystuje on konwencjonalny obiektyw. W związku z tym zasady rządzące supersoczewką pokazują, że może ona obrazować cząsteczkę DNA i procesy białek komórkowych lub pomagać w produkcji jeszcze mniejszych chipów komputerowych i mikroelektroniki.

Co więcej, konwencjonalne obiektywy wychwytują tylko rozchodzące się fale świetlne . Są to fale, które wędrują ze źródła światła lub obiektu do soczewki lub ludzkiego oka. Można to alternatywnie badać jako pole dalekie . Natomiast supersoczewka wychwytuje rozchodzące się fale świetlne i fale, które pozostają na powierzchni obiektu, które alternatywnie mogą być badane zarówno jako pole dalekie, jak i bliskie .

Na początku XX wieku Dennis Gabor użył terminu „supersoczewki” do opisania czegoś zupełnie innego: złożonego systemu macierzy soczewek.

Teoria

Mikroskopu dwuokularowego jest konwencjonalny układ optyczny. Rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona przez granicę dyfrakcji nieco powyżej 200 nanometrów .

Tworzenie obrazu

Schematyczne przedstawienia i obrazy powszechnie używanych metalowych nanosond, które można wykorzystać do obejrzenia próbki w rozdzielczości nanometrowej. Zauważ, że końcówki trzech nanosond mają długość 100 nanometrów.

Obraz obiektu można zdefiniować jako namacalną lub widoczną reprezentację cech tego obiektu. Warunkiem tworzenia obrazu jest oddziaływanie z polami promieniowania elektromagnetycznego . Ponadto poziom szczegółowości funkcji, czyli rozdzielczość obrazu , jest ograniczony do długości fali promieniowania . Na przykład w mikroskopii optycznej produkcja i rozdzielczość obrazu zależą od długości fali światła widzialnego . Jednak w przypadku supersoczewki to ograniczenie może zostać usunięte i wygenerowana zostanie nowa klasa obrazu.

Litografia wiązek elektronów może pokonać tę granicę rozdzielczości . Z drugiej strony mikroskopia optyczna nie może ograniczać się do pewnej wartości nieco powyżej 200 nanometrów . Jednak nowe technologie w połączeniu z mikroskopią optyczną zaczynają umożliwiać zwiększoną rozdzielczość funkcji (patrz sekcje poniżej).

Jedną z definicji ograniczenia przez barierę rozdzielczości jest rozdzielczość obcięta na połowie długości fali światła . Zakresie widzialnym ma zakres, który rozciąga się od 390 nanometrów do 750 nanometrów. Zielone światło , w połowie pomiędzy, ma około 500 nanometrów. Mikroskopia uwzględnia takie parametry jak apertura obiektywu , odległość od obiektu do obiektywu oraz współczynnik załamania obserwowanego materiału. Ta kombinacja określa granicę rozdzielczości lub granicę optyczną mikroskopii , która wynosi 200 nanometrów. Dlatego konwencjonalne obiektywy , które dosłownie konstruują obraz obiektu za pomocą „zwykłych” fal świetlnych, odrzucają informacje, które dają bardzo drobne i drobne szczegóły obiektu zawarte w zanikających falach . Te wymiary są mniejsze niż 200 nanometrów. Z tego powodu, konwencjonalne systemy optyczne, takie jak mikroskopowe , które w stanie dokładnie obrazu bardzo małych rozmiarach nanometrowych konstrukcji lub wielkości nanometrów organizmów in vivo , takich jak indywidualne wirusów lub cząsteczek DNA .

Ograniczenia standardowej mikroskopii optycznej (mikroskopia jasnego pola ) leżą w trzech obszarach:

Zwłaszcza żywym komórkom biologicznym na ogół brakuje wystarczającego kontrastu, aby można je było skutecznie badać, ponieważ wewnętrzne struktury komórki są w większości bezbarwne i przezroczyste. Najczęstszym sposobem na zwiększenie kontrastu jest barwienie różnych struktur selektywnymi barwnikami , ale często wiąże się to z zabijaniem i utrwalaniem próbki. Barwienie może również wprowadzać artefakty , widoczne szczegóły strukturalne, które są spowodowane obróbką próbki, a zatem nie są uzasadnioną cechą próbki.

Obiektyw konwencjonalny

DVD (uniwersalna płyta cyfrowa). Do przesyłania danych wykorzystywany jest laser.

Konwencjonalna soczewka szklana jest wszechobecna w naszym społeczeństwie i nauce . Jest to jedno z podstawowych narzędzi optyki po prostu dlatego, że oddziałuje z różnymi długościami fal światła. Jednocześnie długość fali światła może być analogiczna do szerokości ołówka używanego do rysowania zwykłych obrazów. Ograniczenie staje się zauważalne, na przykład, gdy laser używany w cyfrowym systemie wideo może wykrywać i dostarczać szczegóły tylko z płyty DVD na podstawie długości fali światła . Obraz nie może być wyostrzony poza to ograniczenie.

Tak więc, gdy obiekt emituje lub odbija światło, z tym zjawiskiem związane są dwa rodzaje promieniowania elektromagnetycznego . Są to promieniowanie pola bliskiego i promieniowanie pola dalekiego . Jak sugeruje jego opis, dalekie pole ucieka poza obiekt. Następnie jest łatwo uchwycony i manipulowany przez konwencjonalny szklany obiektyw. Jednak przydatne szczegóły rozdzielczości (wielkości nanometrów) nie są obserwowane, ponieważ są ukryte w bliskim polu. Pozostają zlokalizowane, pozostając znacznie bliżej obiektu emitującego światło, nie mogąc podróżować i nie mogą być uchwycone przez konwencjonalną soczewkę. Kontrolowanie promieniowania pola bliskiego, w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości, można osiągnąć za pomocą nowej klasy materiałów, które nie są łatwe do uzyskania w naturze. W przeciwieństwie do znanych ciał stałych , takich jak kryształy , czerpią one swoje właściwości z jednostek atomowych i molekularnych . Nowa klasa materiałów, zwana metamateriałami , czerpie swoje właściwości ze sztucznie większej struktury. Zaowocowało to nowymi właściwościami i nowatorskimi reakcjami, które pozwalają uzyskać szczegóły obrazów, które przekraczają ograniczenia narzucone przez długość fali światła.

Obrazowanie subfalowe

„Elektrokompozytor” był maszyną do litografii wiązek elektronowych (mikroskop elektronowy) przeznaczoną do pisania masek. Został opracowany na początku lat 70. i wdrożony w połowie lat 70.

Doprowadziło to do chęci oglądania żywych interakcji komórek biologicznych w czasie rzeczywistym, w naturalnym środowisku i potrzeby obrazowania w zakresie subfalowym . Obrazowanie subfalowe można zdefiniować jako mikroskopię optyczną z możliwością zobaczenia szczegółów obiektu lub organizmu poniżej długości fali światła widzialnego (patrz dyskusja w powyższych sekcjach). Innymi słowy, możliwość obserwacji w czasie rzeczywistym poniżej 200 nanometrów. Mikroskopia optyczna jest techniką i technologią nieinwazyjną, ponieważ medium transmisyjnym jest codzienne światło . Obrazowanie poniżej granicy optycznej w mikroskopii optycznej (długość podfalowa) może być zaprojektowane na poziomie komórkowym i w zasadzie na poziomie nanometrowym .

Na przykład w 2007 r. zademonstrowano technikę, w której soczewka oparta na metamateriałach w połączeniu z konwencjonalną soczewką optyczną może manipulować światłem widzialnym, aby zobaczyć (w nanoskali ) wzory, które były zbyt małe, aby można je było obserwować za pomocą zwykłego mikroskopu optycznego . Ma to potencjalne zastosowania nie tylko do obserwacji całej żywej komórki , czy też do obserwowania procesów komórkowych , takich jak przemieszczanie się białek i tłuszczów do iz komórek. W dziedzinie technologii może być wykorzystany do udoskonalenia pierwszych etapów fotolitografii i nanolitografii , niezbędnych do produkcji coraz mniejszych chipów komputerowych .

Skupianie na podfalach stało się unikalną techniką obrazowania , która umożliwia wizualizację cech na oglądanym obiekcie, które są mniejsze niż długość fali używanych fotonów . Foton to minimalna jednostka światła. Chociaż wcześniej uważano, że jest to fizycznie niemożliwe, obrazowanie subfalowe stało się możliwe dzięki opracowaniu metamateriałów . Jest to zazwyczaj osiągane przy użyciu warstwy metalu, takiego jak złoto lub srebro o grubości kilku atomów , która działa jak supersoczewka, lub za pomocą kryształów fotonicznych 1D i 2D . Istnieje subtelna współzależność między propagacją fal, falami zanikającymi, obrazowaniem bliskiego pola i obrazowaniem dalekiego pola omówionych w poniższych sekcjach.

Wczesne obrazowanie subfalowe

Soczewki metamateriałowe ( Superlens ) są w stanie rekonstruować obrazy o rozmiarach nanometrowych , wytwarzając w każdym przypadku ujemny współczynnik załamania światła . To kompensuje szybko zanikające fale zanikające . Przed metamateriałami zaproponowano, a nawet zademonstrowano, wiele innych technik tworzenia mikroskopii superrozdzielczej . Już w 1928 r. irlandzki fizyk Edward Hutchinson Synge przypisał sobie i rozwinął ideę tego, co ostatecznie stanie się skaningową mikroskopią optyczną bliskiego pola .

W 1974 roku propozycje dwu- wymiarowych technik produkcyjnych zostały przedstawione. Propozycje te zawarte obrazowania kontakt , aby utworzyć wzór ulgi w fotolitografii , litografii elektronów , rentgenolitografia lub jonowym bombardowaniu na odpowiedniej płaskiej podłoża. Wspólne cele technologiczne soczewki metamateriałowej i różnorodność litografii mają na celu optyczne rozdzielenie cech o wymiarach znacznie mniejszych niż długość fali próżni emitowanego światła . 1981 dwie różne techniki obrazowania kontaktu płaskiej (płaskie) sub mikroskopijnych wzory ścieżek metalu z światło niebieskie (400 nm wykazano). Jedna demonstracja zaowocowała rozdzielczością obrazu 100 nm, a druga rozdzielczością od 50 do 70 nm.

Od co najmniej 1998 roku litografia optyczna bliskiego pola została zaprojektowana do tworzenia obiektów w skali nanometrycznej. Badania nad tą technologią były kontynuowane, ponieważ w latach 2000–2001 powstał pierwszy eksperymentalnie wykazany metamateriał o ujemnym indeksie . Skuteczność litografii wiązek elektronowych była również badana na początku nowego tysiąclecia w zastosowaniach w skali nanometrycznej. Wykazano, że litografia odciskowa ma pożądane zalety dla badań i technologii w skali nanometrycznej.

Zaawansowana fotolitografia głębokiego UV może teraz oferować rozdzielczość poniżej 100 nm, jednak minimalny rozmiar obiektu i odstępy między wzorami są określane przez limit dyfrakcji światła. Jego technologie pochodne, takie jak litografia zanikającego pola bliskiego, litografia interferencyjna pola bliskiego i litografia maski z przesunięciem fazowym, zostały opracowane w celu pokonania granicy dyfrakcji.

W 2000 roku John Pendry zaproponował korzystania z obiektywu metamateriałowych osiągnąć nanometr -scaled obrazowania skupienie poniżej długości fali od światła .

Analiza granicy dyfrakcji

Pierwotny problem idealnej soczewki: ogólna ekspansja pola EM emanującego ze źródła składa się zarówno z propagujących się fal, jak i fal bliskich lub zanikających. Przykładowe źródło liniowe 2D z polem elektrycznym o polaryzacji S będzie miało fale płaskie składające się ze składników propagujących i zanikających, które przesuwają się równolegle do powierzchni rozdziału. Ponieważ zarówno propagacja, jak i mniejsze fale zanikające przesuwają się w kierunku równoległym do interfejsu ośrodka, fale zanikające zanikają w kierunku propagacji. Zwykłe elementy optyczne (o dodatnim indeksie) mogą ponownie ogniskować propagujące się składowe, ale wykładniczo zanikające niejednorodne składowe zawsze są tracone, co prowadzi do ograniczenia dyfrakcji dla ogniskowania na obrazie.

Supersoczewka to soczewka, która jest zdolna do obrazowania subfalowego , pozwalając na powiększenie promieni bliskiego pola . Soczewki konwencjonalne mają rozdzielczość rzędu jednej długości fali ze względu na tak zwaną granicę dyfrakcji. Ograniczenie to utrudnia obrazowanie bardzo małych obiektów, takich jak pojedyncze atomy, które są znacznie mniejsze niż długość fali światła widzialnego. Supersoczewka jest w stanie pokonać granicę dyfrakcji. Przykładem jest początkowa soczewka opisana przez Pendry, która jako soczewkę płaską wykorzystuje płytę materiału o ujemnym współczynniku załamania światła . Teoretycznie doskonały obiektyw byłby zdolny do idealnej ostrości – co oznacza, że ​​mógłby doskonale odtworzyć pole elektromagnetyczne płaszczyzny źródłowej na płaszczyźnie obrazu.

Granica dyfrakcji jako ograniczenie rozdzielczości

Ograniczenie wydajności konwencjonalnych soczewek wynika z granicy dyfrakcji. Za Pendry (2000) granicę dyfrakcji można rozumieć następująco. Weźmy pod uwagę obiekt i soczewkę umieszczoną wzdłuż osi z tak, aby promienie z obiektu poruszały się w kierunku +z. Pole pochodzące od obiektu może być napisany pod względem kątowym metodą widma , w postaci superpozycji z płaskich fal :

gdzie jest funkcją :

Tylko dodatni pierwiastek kwadratowy jest brany pod uwagę, gdy energia idzie w kierunku + z . Wszystkie składowe widma kątowego obrazu, dla którego jest rzeczywisty, są transmitowane i ponownie ogniskowane przez zwykłą soczewkę. Jeśli jednak

następnie staje się urojona, a fala jest falą zanikającą , której amplituda zanika, gdy fala rozchodzi się wzdłuż osi z . Powoduje to utratę składowych fali o wysokiej częstotliwości kątowej , które zawierają informacje o cechach wysokoczęstotliwościowych (małoskalowych) obrazowanego obiektu. Najwyższą rozdzielczość, jaką można uzyskać, można wyrazić za pomocą długości fali:

Supersoczewki pokonują granice. Pendry typu superlens ma indeks n = 1 (ε = 1, μ = 1), a w takim materiale, transport energii na + oo kierunku wymaga Ż składową wektora falowego mieć odwrotny znak:

Dla dużych częstotliwości kątowych fala zanikająca teraz rośnie , więc przy odpowiedniej grubości soczewki wszystkie składowe widma kątowego mogą być przepuszczane przez soczewkę bez zniekształceń. Nie ma problemów z zachowaniem energii , ponieważ zanikające fale nie niosą żadnej w kierunku wzrostu: wektor Poyntinga jest zorientowany prostopadle do kierunku wzrostu. W przypadku fal biegnących wewnątrz idealnej soczewki wektor Poyntinga wskazuje kierunek przeciwny do prędkości fazowej.

Skutki ujemnego współczynnika załamania

a) Gdy fala uderza w materiał o dodatnim współczynniku załamania z próżni. b) Gdy fala uderza w materiał o ujemnym współczynniku załamania z próżni. c) Kiedy obiekt jest umieszczony przed obiektem z n =−1, światło z niego jest załamywane, więc skupia się raz wewnątrz soczewki, a raz na zewnątrz. Pozwala to na obrazowanie podfalowe.

Normalnie, gdy fala przechodzi przez interfejs z dwóch różnych materiałów, po przeciwnej stronie z pojawienia się fali normalne . Jeśli jednak interfejs znajduje się między materiałem o dodatnim współczynniku załamania a innym materiałem o ujemnym współczynniku załamania , fala pojawi się po tej samej stronie normalnej. Idea idealnej soczewki Pendry'ego to płaski materiał, gdzie n = −1. Taka soczewka pozwala promieniom bliskiego pola, które normalnie zanikają z powodu granicy dyfrakcji, skupiać się raz w soczewce i raz poza soczewką, umożliwiając obrazowanie poddługości fal.

Rozwój i budowa

Kiedyś uważano, że konstrukcja supersoczewek jest niemożliwa. W 2000 roku Pendry twierdził, że wystarczy zwykła płyta lewoskrętnego materiału . Eksperymentalna realizacja takiej soczewki zajęła jednak trochę więcej czasu, ponieważ nie jest łatwo wytworzyć metamateriały zarówno o ujemnej przenikalności, jak i przepuszczalności . Rzeczywiście, taki materiał nie istnieje naturalnie, a konstrukcja wymaganych metamateriałów nie jest trywialna. Ponadto wykazano, że parametry materiału są niezwykle wrażliwe (wskaźnik musi wynosić -1); małe odchylenia powodują, że rozdzielczość poddługości fal jest nieobserwowalna. Ze względu na rezonansowy charakter metamateriałów, od którego zależy wiele (proponowanych) implementacji supersoczewek, metamateriały są wysoce dyspersyjne. Wrażliwość supersoczewek na parametry materiału powoduje, że supersoczewki oparte na metamateriałach mają ograniczony użyteczny zakres częstotliwości. Ten wstępny projekt teoretycznej supersoczewki składał się z metamateriału, który kompensował zanik fal i rekonstruował obrazy w polu bliskim . Zarówno fale propagujące, jak i zanikające mogą przyczynić się do rozdzielczości obrazu .

Pendry zasugerował również, że soczewka mająca tylko jeden ujemny parametr utworzyłaby przybliżoną supersoczewkę, pod warunkiem, że odległości są również bardzo małe i pod warunkiem, że polaryzacja źródła jest odpowiednia. Dla światła widzialnego jest to użyteczny zamiennik, ponieważ inżynieria metamateriałów z ujemną przepuszczalnością przy częstotliwości światła widzialnego jest trudna. Metale są zatem dobrą alternatywą, ponieważ mają ujemną przenikalność (ale nie ujemną przepuszczalność). Pendry zasugerował użycie srebra ze względu na jego stosunkowo niską stratę przy przewidywanej długości fali działania (356 nm). W 2003 roku teoria Pendry'ego została po raz pierwszy zademonstrowana eksperymentalnie na częstotliwościach RF/mikrofalowych. W 2005 roku dwie niezależne grupy zweryfikowały obiektyw Pendry'ego w zakresie UV, obie używając cienkich warstw srebra oświetlonych światłem UV, aby uzyskać „fotografie” obiektów mniejszych niż długość fali. Ujemne załamanie światła widzialnego zostało eksperymentalnie zweryfikowane w bikrysztale ortowanadanu itru (YVO 4 ) w 2003 roku.

Odkryto, że prosty projekt supersoczewki dla mikrofal może wykorzystywać szereg równoległych przewodów przewodzących. Wykazano, że ta struktura jest w stanie poprawić rozdzielczość obrazowania MRI .

W 2004 roku pierwsze supersoczewki o ujemnym współczynniku załamania zapewniały rozdzielczość trzykrotnie lepszą niż granica dyfrakcji i zostały zademonstrowane przy częstotliwościach mikrofalowych . W 2005 roku N.Fang i in. zademonstrowali pierwszą supersoczewkę bliskiego pola . , ale obiektyw nie opierał się na ujemnym załamaniu . Zamiast tego zastosowano cienką warstwę srebra, aby wzmocnić mody zanikające poprzez sprzężenie plazmonów powierzchniowych . Niemal w tym samym czasie Melville i Blaikie odnieśli sukces z supersoczewką bliskiego pola. Poszły za nimi inne grupy. W 2008 r. odnotowano dwa postępy w badaniach nad soczewkami. W drugim przypadku metamateriał powstał z nanodrutów srebra, które osadzono elektrochemicznie w porowatym tlenku glinu. Materiał wykazywał ujemne załamanie. Wydajność obrazowania takich izotropowych soczewek o ujemnej stałej dielektrycznej płytowych została również przeanalizowana w odniesieniu do materiału płyty i grubości. W zależności od parametrów struktury zbadano również możliwości obrazowania subfalowego za pomocą planarnych jednoosiowych soczewek anizotropowych, w których składowe tensora dielektrycznego mają przeciwny znak.

Supersoczewka nie została jeszcze zademonstrowana w zakresie widzialnym lub bliskiej podczerwieni (Nielsen, RB; 2010). Ponadto, jako materiały dyspersyjne, są one ograniczone do działania przy jednej długości fali. Proponowane rozwiązania to kompozyty metal-dielektryk (MDC) i wielowarstwowe struktury soczewek. Wydaje się, że wielowarstwowe supersoczewki mają lepszą rozdzielczość subfalową niż supersoczewki jednowarstwowe. Straty są mniejszym problemem w systemie wielowarstwowym, ale jak dotąd wydaje się to niepraktyczne z powodu niedopasowania impedancji .

Podczas gdy ewolucja technik nanoprodukcyjnych nadal przesuwa granice w wytwarzaniu nanostruktur, chropowatość powierzchni pozostaje nieuniknionym źródłem obaw w projektowaniu urządzeń nanofotonicznych. Zbadano również wpływ tej chropowatości powierzchni na efektywne stałe dielektryczne i rozdzielczość obrazu poddługości fali wielowarstwowych soczewek typu metal-izolator.

Idealne soczewki

Kiedy świat jest obserwowany przez konwencjonalne soczewki , ostrość obrazu jest zdeterminowana i ograniczona do długości fali światła . Około roku 2000 opracowano teorię z płyty metamateriału o ujemnym indeksie, aby stworzyć soczewkę o możliwościach wykraczających poza konwencjonalne soczewki (z dodatnim indeksem ). Pendry zasugerował, że cienka płyta metamateriału o ujemnym współczynniku załamania światła może przezwyciężyć znane problemy ze zwykłymi soczewkami, aby uzyskać „doskonałą” soczewkę, która skupiałaby całe widmo, zarówno widma propagujące, jak i zanikające .

Jako metamateriał zaproponowano płytę ze srebra . Dokładniej, taka cienka srebrna warstwa może być uważana za metapowierzchnię . Gdy światło oddala się (rozprzestrzenia) od źródła, nabiera arbitralnej fazy . W konwencjonalnej soczewce faza pozostaje stała, ale zanikające fale zanikają wykładniczo . W płaskiej płycie metamateriału DNG , normalnie zanikające fale zanikające są przeciwnie wzmacniane . Co więcej, ponieważ zanikające fale są teraz wzmacniane, faza jest odwrócona.

Dlatego zaproponowano rodzaj soczewki, składającej się z metamateriału metalowej folii. Po oświetleniu w pobliżu częstotliwości plazmy , soczewka może być używana do obrazowania w super rozdzielczości, które kompensuje zanik fali i rekonstruuje obrazy w bliskim polu . Ponadto na rozdzielczość obrazu wpływają zarówno fale propagujące , jak i zanikające .

Pendry zasugerował, że leworęczne płyty pozwalają na „doskonałe obrazowanie”, jeśli są całkowicie bezstratne, dopasowane impedancyjnie , a ich współczynnik załamania światła wynosi -1 w stosunku do otaczającego medium. Teoretycznie byłby to przełom, ponieważ wersja optyczna rozdziela obiekty o rozmiarach tak maleńkich jak nanometry . Pendry przewidział, że podwójnie ujemne metamateriały (DNG) o współczynniku załamania światła n=−1 mogą działać, przynajmniej w zasadzie, jako „doskonała soczewka”, umożliwiająca rozdzielczość obrazowania, która jest ograniczona nie długością fali, ale raczej jakością materiału.

Inne badania dotyczące idealnego obiektywu

Dalsze badania wykazały, że teoria Pendry'ego dotycząca idealnego obiektywu nie była do końca poprawna. Analiza ogniskowania widma zanikającego (równania 13-21 w odniesieniu) była błędna. Ponadto dotyczy to tylko jednej (teoretycznej) instancji, a mianowicie jednego konkretnego medium, które jest bezstratne, niedyspersyjne, a parametry składowe są zdefiniowane jako:

ε (ω) / ε 0 = μ (ω) / μ 0 = 1, co z kolei prowadzi do negatywnej załamania n = -1

Jednak ostateczny intuicyjny wynik tej teorii, że zarówno fale propagujące, jak i zanikające są skupione, co skutkuje zbieżnym punktem ogniskowym w płycie i kolejną zbieżnością (punktem ogniskowym) poza płytą, okazał się poprawny.

Jeśli metamateriał DNG ma duży ujemny indeks lub staje się stratny lub dyspersyjny , nie można osiągnąć efektu idealnej soczewki Pendry'ego. W rezultacie doskonały efekt soczewki w ogóle nie istnieje. Zgodnie z ówczesnymi symulacjami FDTD (2001) płyta DNG działa jak konwerter impulsowej fali cylindrycznej na wiązkę impulsową. Co więcej, w rzeczywistości (w praktyce) medium DNG musi być i jest dyspersyjne i stratne, co może mieć pożądane lub niepożądane skutki, w zależności od badań lub zastosowania. W konsekwencji doskonały efekt soczewki Pendry jest niedostępny dla żadnego metamateriału zaprojektowanego jako medium DNG.

Inna analiza, przeprowadzona w 2002 r., koncepcji idealnego obiektywu wykazała, że ​​jest ona błędna, gdy używa się jako obiektu bezstratnego, bezdyspersyjnego DNG. Ta analiza matematycznie wykazała, że ​​subtelności fal zanikających, ograniczenie do skończonej płyty i absorpcja doprowadziły do ​​niespójności i rozbieżności, które są sprzeczne z podstawowymi właściwościami matematycznymi rozproszonych pól falowych. Na przykład w tej analizie stwierdzono, że absorpcja , która jest związana z dyspersją , jest zawsze obecna w praktyce, a absorpcja ma tendencję do przekształcania wzmocnionych fal w zanikające wewnątrz tego medium (DNG).

W trzeciej analizie koncepcji idealnej soczewki Pendry'ego, opublikowanej w 2003 r., wykorzystano niedawną demonstrację ujemnej refrakcji przy częstotliwościach mikrofalowych jako potwierdzenie wykonalności podstawowej koncepcji idealnej soczewki. Ponadto uznano, że ta demonstracja jest eksperymentalnym dowodem na to, że planarny metamateriał DNG przekieruje promieniowanie pola dalekiego źródła punktowego . Jednak idealna soczewka wymagałaby znacznie innych wartości przenikalności , przepuszczalności i okresowości przestrzennej niż zademonstrowana próbka o ujemnym współczynniku załamania światła.

Badanie to zgadza się, że każde odchylenie od warunków, w których ε=µ=−1 skutkuje normalnym, konwencjonalnym, niedoskonałym obrazem, który degraduje wykładniczo, tj. granicę dyfrakcji. Idealne rozwiązanie soczewki przy braku strat jest znowu niepraktyczne i może prowadzić do paradoksalnych interpretacji.

Ustalono, że chociaż rezonansowe plazmony powierzchniowe są niepożądane do obrazowania, okazują się one niezbędne do odzyskiwania zanikających fal zanikających. Analiza ta wykazała, że okresowość metamateriału ma znaczący wpływ na odzyskiwanie rodzajów zanikających składników. Ponadto przy obecnych technologiach możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości subfalowej . W metamateriałach ustrukturyzowanych wykazano ujemne współczynniki załamania . Takie materiały można zaprojektować tak, aby miały regulowane parametry materiałowe, a tym samym osiągały optymalne warunki. Straty można zminimalizować w konstrukcjach wykorzystujących elementy nadprzewodzące . Co więcej, rozważenie alternatywnych struktur może prowadzić do konfiguracji materiałów lewoskrętnych, które mogą osiągnąć ogniskowanie pod długością fali. Takie konstrukcje były wówczas badane.

Niedawno zaproponowano efektywne podejście do kompensacji strat w metamateriałach, zwane schematem wstrzykiwania plazmonu. Schemat wstrzykiwania plazmonów został teoretycznie zastosowany do niedoskonałych płaskich soczewek o ujemnym indeksie z rozsądnymi stratami materiału oraz w obecności szumu i hipersoczewek. Wykazano, że nawet niedoskonałe płaskie soczewki o ujemnym indeksie wspomagane schematem wstrzykiwania plazmonów umożliwiają obrazowanie subdyfrakcyjne obiektów, co w innym przypadku nie byłoby możliwe ze względu na straty i szumy. Chociaż schemat wstrzykiwania plazmonów był pierwotnie konceptualizowany dla metamateriałów plazmonicznych, koncepcja jest ogólna i ma zastosowanie do wszystkich typów trybów elektromagnetycznych. Główną ideą tego schematu jest spójna superpozycja modów stratnych w metamateriale z odpowiednio ustrukturyzowanym zewnętrznym polem pomocniczym. To pole pomocnicze uwzględnia straty w metamateriale, a zatem skutecznie zmniejsza straty doświadczane przez wiązkę sygnału lub pole obiektu w przypadku soczewki metamateriału. Schemat wstrzykiwania plazmonu można wdrożyć fizycznie lub równoważnie za pomocą metody post-processingu dekonwolucji. Jednak fizyczna implementacja okazała się bardziej skuteczna niż dekonwolucja. Fizyczna konstrukcja splotu i selektywne wzmocnienie częstotliwości przestrzennych w wąskim paśmie są kluczem do fizycznej realizacji schematu wstrzykiwania plazmonów. Ten schemat kompensacji strat idealnie nadaje się szczególnie do soczewek metamateriałowych, ponieważ nie wymaga wzmocnienia, nieliniowości ani interakcji z fononami. Eksperymentalna demonstracja schematu wstrzykiwania plazmonów nie została jeszcze pokazana, po części dlatego, że teoria jest raczej nowa.

Obrazowanie bliskiego pola za pomocą przewodów magnetycznych

Pryzmat złożony z wysokowydajnych szwajcarskich rolek, które zachowują się jak magnetyczna płyta czołowa, wiernie przenosząc rozkład pola magnetycznego z wejścia na stronę wyjściową.

Soczewka teoretyczna Pendry'ego została zaprojektowana tak, aby skupiać zarówno rozchodzące się fale, jak i zanikające fale bliskiego pola . Z przenikalności „ε” i przenikalności magnetycznej „µ” wyprowadzany jest współczynnik załamania „n”. Współczynnik załamania określa, w jaki sposób światło jest zakrzywiane podczas przechodzenia z jednego materiału do drugiego. W 2003 roku zasugerowano, że metamateriał skonstruowany z naprzemiennych, równoległych warstw materiałów n=−1 i n=+1 , byłby bardziej efektywnym projektem soczewki metamateriałowej . Jest to efektywny ośrodek złożony z wielowarstwowego stosu, który wykazuje dwójłomność n 2 =∞, n x =0. Efektywne współczynniki załamania światła są wtedy odpowiednio prostopadłe i równoległe .

Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego obiektywu , kierunek z przebiega wzdłuż osi rolki. Częstotliwość rezonansowa (w 0 ) – bliska 21,3 MHz – jest określona konstrukcją rolki. Tłumienie uzyskuje się dzięki naturalnemu oporowi warstw i stratnej części przenikalności.

Mówiąc najprościej, ponieważ wzór pola jest przenoszony z wejścia na wyjściową powierzchnię płyty, więc informacje o obrazie są transportowane przez każdą warstwę. Zostało to zademonstrowane eksperymentalnie. Aby przetestować wydajność dwuwymiarowego obrazowania materiału, zbudowano antenę z pary antyrównoległych przewodów w kształcie litery M. Wygenerowało to linię strumienia magnetycznego, zapewniając w ten sposób charakterystyczny wzór pola do obrazowania. Umieszczono go poziomo, a na nim położono materiał, składający się z 271 rolek Swiss dostrojonych do 21,5 MHz. Materiał rzeczywiście działa jako urządzenie do przenoszenia obrazu w polu magnetycznym. Kształt anteny jest wiernie odwzorowany w płaszczyźnie wyjściowej, zarówno w rozkładzie natężenia szczytowego, jak i w „dolinach” wiążących M.

Spójną cechą bardzo bliskiego (zanikającego) pola jest to, że pola elektryczne i magnetyczne są w dużej mierze oddzielone. Pozwala to na niemal niezależne manipulowanie polem elektrycznym przenikalnością, a polem magnetycznym przenikalnością.

Ponadto jest to system silnie anizotropowy . W związku z tym poprzeczne (prostopadle) części pola EM które promieniują materiału, czyli elementy wektora falowego k x i k y , są oddzielone od podłużnego składnik k Z . Tak więc wzór pola powinien być przenoszony z wejściowej do wyjściowej powierzchni płyty materiału bez degradacji informacji o obrazie.

Optyczna super soczewka ze srebrnym metamateriałem

W 2003 r. grupa naukowców wykazała, że ​​optyczne fale zanikające zostaną wzmocnione, gdy przejdą przez srebrną soczewkę metamateriału . Nazywano to soczewką pozbawioną dyfrakcji. Chociaż nie zamierzano ani nie osiągnięto spójnego obrazu o wysokiej rozdzielczości, zademonstrowano eksperymentalnie regenerację zanikającego pola .

Do 2003 roku od dziesięcioleci było wiadomo, że zanikające fale można wzmocnić, wytwarzając stany wzbudzone na powierzchniach międzyfazowych . Jednak użycie plazmonów powierzchniowych do rekonstrukcji zanikających składników nie było próbą aż do ostatniej propozycji Pendry'ego (patrz „ Perfekcyjna soczewka ” powyżej). Badając folie o różnej grubości zauważono, że w odpowiednich warunkach występuje szybko rosnący współczynnik przepuszczalności . Ta demonstracja dostarczyła bezpośrednich dowodów na to, że podstawa supersoczewkowania jest solidna i zasugerowała ścieżkę, która umożliwi obserwację supersoczewkowania na długościach fal optycznych.

W 2005 roku powstał spójny obraz o wysokiej rozdzielczości (na podstawie wyników z 2003 roku). Cieńsza płyta srebra (35 nm) była lepsza do obrazowania z ograniczeniem sub-dyfrakcji , co daje jedną szóstą długości fali oświetlenia. Ten typ obiektywu został użyty do kompensacji zaniku fal i rekonstrukcji obrazów w bliskim polu . Wcześniejsze próby stworzenia działającej supersoczewki wykorzystywały płytkę srebra, która była zbyt gruba.

Obiekty zostały zobrazowane tak małe, jak 40 nm średnicy. W 2005 r. granica rozdzielczości obrazowania dla mikroskopów optycznych wynosiła około jednej dziesiątej średnicy krwinki czerwonej . W przypadku srebrnej supersoczewki daje to rozdzielczość jednej setnej średnicy czerwonej krwinki.

Konwencjonalne soczewki, czy to wykonane przez człowieka, czy naturalne, tworzą obrazy, przechwytując rozchodzące się fale świetlne, które emitują wszystkie obiekty, a następnie je wyginając. Kąt zagięcia jest określony przez współczynnik załamania i zawsze był dodatni aż do wyprodukowania sztucznych materiałów o ujemnym współczynniku. Obiekty emitują również fale zanikające, które przenoszą szczegóły obiektu, ale są nieosiągalne przy użyciu konwencjonalnej optyki. Takie zanikające fale zanikają wykładniczo i dlatego nigdy nie stają się częścią rozdzielczości obrazu, progu optycznego znanego jako granica dyfrakcji. Przełamanie tej granicy dyfrakcji i uchwycenie fal zanikających ma kluczowe znaczenie dla stworzenia 100% idealnej reprezentacji obiektu.

Ponadto konwencjonalne materiały optyczne mają granicę dyfrakcji, ponieważ tylko elementy propagujące są przepuszczane (przez materiał optyczny) ze źródła światła . Składniki nierozchodzące się, fale zanikające, nie są przesyłane. Co więcej, soczewki poprawiające rozdzielczość obrazu poprzez zwiększenie współczynnika załamania są ograniczone dostępnością materiałów o wysokim współczynniku, a obrazowanie punkt po punkcie poddługości falowej mikroskopii elektronowej ma również ograniczenia w porównaniu z potencjałem działającej supersoczewki. Skaningowe mikroskopy elektronowe i sił atomowych są obecnie używane do uchwycenia szczegółów z dokładnością do kilku nanometrów. Jednak takie mikroskopy tworzą obrazy, skanując obiekty punkt po punkcie, co oznacza, że ​​zazwyczaj ograniczają się do nieożywionych próbek, a czas przechwytywania obrazu może trwać nawet kilka minut.

Dzięki obecnym mikroskopom optycznym naukowcy są w stanie dostrzec jedynie stosunkowo duże struktury w komórce, takie jak jądro i mitochondria. Naukowcy twierdzą, że dzięki supersoczewce mikroskopy optyczne mogą pewnego dnia ujawnić ruchy poszczególnych białek przemieszczających się wzdłuż mikrotubul tworzących szkielet komórki. Mikroskopy optyczne mogą uchwycić całą klatkę za pomocą jednego zdjęcia w ułamku sekundy. Dzięki supersoczewkom umożliwia to obrazowanie w nanoskali żywych materiałów, co może pomóc biologom lepiej zrozumieć strukturę i funkcję komórki w czasie rzeczywistym.

Postępy w sprzężeniu magnetycznym w reżimie THz i podczerwieni umożliwiły realizację możliwych supersoczewek metamateriału. Jednak w polu bliskim reakcje elektryczne i magnetyczne materiałów są oddzielone. Dlatego w przypadku poprzecznych fal magnetycznych (TM) należy wziąć pod uwagę tylko przenikalność elektryczną. Metale szlachetne stają się następnie naturalnymi selekcjami do supersoczewkowania, ponieważ łatwo jest uzyskać ujemną przenikalność.

Dzięki zaprojektowaniu cienkiej metalowej płyty tak, aby oscylacje prądu powierzchniowego ( plazmony powierzchniowe ) odpowiadały zanikającym falom z obiektu, supersoczewka jest w stanie znacznie zwiększyć amplitudę pola. Supersoczewkowanie wynika ze wzmocnienia fal zanikających przez plazmony powierzchniowe.

Kluczem do supersoczewki jest jej zdolność do znacznego wzmacniania i odzyskiwania zanikających fal, które przenoszą informacje w bardzo małej skali. Umożliwia to obrazowanie znacznie poniżej granicy dyfrakcji. Żaden obiektyw nie jest jeszcze w stanie całkowicie odtworzyć wszystkich zanikających fal emitowanych przez obiekt, więc cel, jakim jest 100-procentowy doskonały obraz, pozostanie. Jednak wielu naukowców uważa, że ​​nie jest możliwe uzyskanie prawdziwie doskonałej soczewki, ponieważ zawsze będzie występować pewna strata absorpcji energii, gdy fale przechodzą przez dowolny znany materiał. Dla porównania, obraz supersoczewki jest znacznie lepszy niż ten stworzony bez srebrnych supersoczewek.

50-nm płaska warstwa srebra

W lutym 2004 roku system ogniskowania promieniowania elektromagnetycznego , oparty na płytce z metamateriału o ujemnym indeksie , wykonał obrazowanie w zakresie subfalowym w domenie mikrofalowej . To pokazało, że uzyskanie oddzielonych obrazów przy znacznie mniejszej niż długość fali w świetle jest możliwe. Również w 2004 roku warstwa srebra została wykorzystana do pod- mikrometrów obrazowania bliskiego pola. Nie osiągnięto super wysokiej rozdzielczości, ale to było zamierzone. Warstwa srebra była zbyt gruba, aby umożliwić znaczne wzmocnienie zanikających składowych pola.

Na początku 2005 roku rozdzielczość funkcji została osiągnięta z inną warstwą srebra. Chociaż nie był to rzeczywisty obraz, był zamierzony. Rozdzielczość gęstych cech do 250 nm została wytworzona w fotorezyście o grubości 50 nm przy użyciu oświetlenia z lampy rtęciowej . Wykorzystując symulacje ( FDTD ) w badaniu zauważono, że w przypadku obrazowania przez soczewki srebrne można oczekiwać poprawy rozdzielczości, a nie innej metody obrazowania w bliskim polu.

W oparciu o te wcześniejsze badania osiągnięto super rozdzielczość przy częstotliwościach optycznych przy użyciu płaskiej warstwy srebra 50 nm . Zdolność do rozdzielenia obrazu poza granicę dyfrakcji w przypadku obrazowania w dalekim polu określa się tutaj jako superrozdzielczość.

Wierność obrazu jest znacznie lepsza w porównaniu z wcześniejszymi wynikami poprzedniego eksperymentalnego zestawu soczewek. Obrazowanie obiektów submikronowych zostało znacznie ulepszone dzięki zastosowaniu cieńszych warstw srebra i przekładek oraz zmniejszeniu chropowatości powierzchni soczewki. Zdolność srebrnych soczewek do obrazowania siatek została wykorzystana jako test najwyższej rozdzielczości, ponieważ istnieje konkretna granica zdolności konwencjonalnej soczewki (pola dalekiego) do obrazowania obiektów okresowych – w tym przypadku obraz jest dyfrakcją krata. W przypadku oświetlenia o normalnym padaniu minimalny okres przestrzenny, który można rozdzielić za pomocą długości fali λ przez ośrodek o współczynniku załamania n, wynosi λ/n. W związku z tym można oczekiwać zerowego kontrastu w każdym (konwencjonalnym) obrazie dalekiego pola poniżej tej granicy, bez względu na to, jak dobra może być odporność na obrazowanie.

W tym przypadku stos (super) soczewek daje wynik obliczeniowy z ograniczoną dyfrakcją rozdzielczością 243 nm. Obrazowane są siatki o okresach od 500 nm do 170 nm, przy czym głębokość modulacji rezystancji zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się okresu siatki. Wszystkie siatki z okresami powyżej granicy dyfrakcji (243 nm) są dobrze rozdzielone. Kluczowymi wynikami tego eksperymentu są superobrazy granicy subdyfrakcji dla okresów 200 nm i 170 nm. W obu przypadkach siatki są rozdzielone, nawet jeśli kontrast jest zmniejszony, ale to daje eksperymentalne potwierdzenie propozycji supersoczewkowania Pendry'ego.

Aby uzyskać więcej informacji, patrz liczba Fresnela i dyfrakcja Fresnela

Soczewki GRIN z ujemnym indeksem

Indeks gradientu (GRIN) – Większy zakres reakcji materiału dostępny w metamateriałach powinien prowadzić do udoskonalenia konstrukcji soczewek GRIN. W szczególności, ponieważ przenikalność i przepuszczalność metamateriału można regulować niezależnie, soczewki GRIN z metamateriału można przypuszczalnie lepiej dopasować do wolnej przestrzeni. Soczewka GRIN jest skonstruowana przy użyciu płyty NIM o zmiennym współczynniku załamania w kierunku y, prostopadłym do kierunku propagacji z.

Supersoczewka dalekiego pola

W 2005 roku grupa zaproponowała teoretyczny sposób przezwyciężenia ograniczenia pola bliskiego za pomocą nowego urządzenia zwanego supersoczewką dalekiego pola (FSL), która jest odpowiednio zaprojektowaną, okresowo pofałdowaną, metalową supersoczewką na bazie płyt.

Obrazowanie zostało eksperymentalnie zademonstrowane w polu dalekim, podejmując kolejny krok po eksperymentach pola bliskiego. Kluczowym elementem jest supersoczewka pola dalekiego (FSL), która składa się z konwencjonalnej supersoczewki i sprzęgacza w nanoskali.

Ogniskowanie poza limitem dyfrakcji z odwróceniem czasu w polu dalekim

Przedstawiono podejście do ogniskowania mikrofal przy subdługościach fal przy użyciu zarówno zwierciadła odwracającego czas umieszczonego w polu dalekim, jak i losowego rozkładu rozpraszaczy umieszczonych w polu bliskim punktu ogniskowania.

Hipersoczewki

Po zademonstrowaniu możliwości obrazowania w bliskim polu, następnym krokiem było rzutowanie obrazu z bliskiego pola na dalekie pole. Ta koncepcja, łącznie z techniką i materiałami, nazywana jest „hiperlens”.

W maju 2012 r. obliczenia wykazały, że hipersoczewki w ultrafiolecie (1200-1400 THz) można tworzyć przy użyciu naprzemiennych warstw azotku boru i grafenu .

W lutym 2018 r. wprowadzono hipersoczewki do średniej podczerwieni (~5-25μm) wykonane z wielowarstwowej warstwy arsenku indu o zmiennym domieszce , która zapewniała drastycznie mniejsze straty.

Zdolność hipersoczewek metamateriału do obrazowania z ograniczeniem subdyfrakcji pokazano poniżej.

Obrazowanie subdyfrakcyjne w polu dalekim

W konwencjonalnych soczewek optycznych , pole daleko jest limit, który jest zbyt odległy dla fale Evanescent przybyć nienaruszone. Podczas obrazowania obiektu ogranicza to rozdzielczość optyczną soczewek do rzędu długości fali światła. Te nierozchodzące się fale przenoszą szczegółowe informacje w postaci wysokiej rozdzielczości przestrzennej i przezwyciężają ograniczenia. Dlatego rzutowanie szczegółów obrazu, zwykle ograniczonego przez dyfrakcję w dalekim polu, wymaga odzyskania fal zanikających.

Zasadniczo etapami prowadzącymi do tego badania i demonstracji było zastosowanie anizotropowego metamateriału z dyspersją hiperboliczną . Efekt był taki, że zwykłe fale zanikające rozchodziły się wzdłuż kierunku promieniowego warstwowego metamateriału. Na poziomie mikroskopowym fale o dużej częstotliwości przestrzennej rozchodzą się poprzez sprzężone wzbudzenia plazmonów powierzchniowych między warstwami metalicznymi.

W 2007 roku właśnie taki anizotropowy metamateriał został wykorzystany jako powiększające hipersoczewki optyczne. Hipersoczewka składała się z zakrzywionego stosu okresowego cienkiego srebra i tlenku glinu (o grubości 35 nanometrów) osadzonego w półcylindrycznej wnęce i wytworzonego na podłożu kwarcowym. Promieniowe i styczne permittivities mają różne znaki.

Po oświetleniu rozproszone pole zanikające z obiektu wchodzi do ośrodka anizotropowego i rozchodzi się w kierunku promieniowym. W połączeniu z innym efektem metamateriału, pojawia się powiększony obraz na zewnętrznej granicy dyfrakcji hipersoczewki. Gdy powiększona cecha jest większa niż (poza) granicą dyfrakcji, można ją następnie zobrazować za pomocą konwencjonalnego mikroskopu optycznego , demonstrując w ten sposób powiększenie i projekcję obrazu o ograniczonej dyfrakcji w dalekie pole.

Hipersoczewka powiększa obiekt, przekształcając rozproszone fale zanikające w fale propagujące w ośrodku anizotropowym , wyświetlając w dalekim polu obraz o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Ten rodzaj soczewki opartej na metamateriałach w połączeniu z konwencjonalną soczewką optyczną jest zatem w stanie ujawnić wzory zbyt małe, aby można je było dostrzec za pomocą zwykłego mikroskopu optycznego. W jednym eksperymencie soczewka była w stanie rozróżnić dwie 35-nanometrowe linie wytrawione w odległości 150 nanometrów. Bez metamateriałów mikroskop pokazał tylko jedną grubą kreskę.

W eksperymencie kontrolnym obiekt pary linii został zobrazowany bez hipersoczewek. Pary linii nie można było rozdzielić, ponieważ granica dyfrakcji apertury (optycznej) była ograniczona do 260 nm. Ponieważ hipersoczewka obsługuje propagację bardzo szerokiego spektrum wektorów falowych, może powiększać dowolne obiekty z rozdzielczością ograniczoną do subdyfrakcji.

Chociaż wydaje się, że prace te ograniczają się jedynie do cylindrycznej hipersoczewki, następnym krokiem jest zaprojektowanie soczewki sferycznej . Ten obiektyw będzie wykazywał zdolność trójwymiarowości. Mikroskopia optyczna bliskiego pola wykorzystuje końcówkę do skanowania obiektu. W przeciwieństwie do tego hipersoczewka optyczna powiększa obraz o ograniczonej subdyfrakcji. Powiększony obraz sub-dyfrakcyjny jest następnie rzutowany w dalekie pole.

Hipersoczewki optyczne wykazują znaczny potencjał zastosowań, takich jak obrazowanie biomolekularne w czasie rzeczywistym i nanolitografia. Taką soczewkę można by wykorzystać do obserwacji procesów komórkowych, których nie można było zobaczyć. I odwrotnie, można go wykorzystać do rzutowania obrazu o bardzo drobnych cechach na fotomaskę jako pierwszy krok w fotolitografii, procesie używanym do wytwarzania chipów komputerowych. Hipersoczewka ma również zastosowania w technologii DVD.

W 2010 roku zademonstrowano eksperymentalnie sferyczną hipersoczewkę do obrazowania dwuwymiarowego przy widzialnych częstotliwościach. Sferyczne hipersoczewki były oparte na tlenku srebra i tytanu w naprzemiennych warstwach i miały silną anizotropową dyspersję hiperboliczną umożliwiającą super rozdzielczość w widmie widzialnym. Rozdzielczość w zakresie widzialnym wynosiła 160 nm. Umożliwi obrazowanie biologiczne na poziomie komórkowym i DNA, z dużą korzyścią w postaci powiększania rozdzielczości subdyfrakcyjnej w dalekim polu.

Mikroskopia wspomagana plazmonami

Zobacz Skaningowy mikroskop optyczny bliskiego pola .

Superobrazowanie w widzialnym zakresie częstotliwości

W 2007 roku naukowcy zademonstrowali superobrazowanie przy użyciu materiałów, które wytwarzają ujemny współczynnik załamania światła, a soczewkowanie uzyskuje się w zakresie widzialnym.

Aby nadążyć za postępem w nanotechnologii i mikrobiologii, potrzebne są ciągłe ulepszenia w mikroskopii optycznej . Kluczem jest postęp w rozdzielczości przestrzennej . Konwencjonalna mikroskopia optyczna jest ograniczona przez granicę dyfrakcji, która jest rzędu 200 nanometrów (długość fali). Oznacza to, że wirusy , białka , cząsteczki DNA i wiele innych próbek są trudne do zaobserwowania pod zwykłym (optycznym) mikroskopem. Soczewka zademonstrowana wcześniej z materiałem o ujemnym współczynniku załamania światła , cienką płaską supersoczewką, nie zapewnia powiększenia poza granicę dyfrakcji konwencjonalnych mikroskopów. Dlatego obrazy mniejsze niż konwencjonalny limit dyfrakcji będą nadal niedostępne.

Innym podejściem umożliwiającym osiągnięcie superrozdzielczości przy widzialnej długości fali są opracowane niedawno sferyczne hipersoczewki oparte na naprzemiennych warstwach srebra i tlenku tytanu. Charakteryzuje się silną anizotropową dyspersją hiperboliczną umożliwiającą superrozdzielczość z przekształcaniem fal zanikających w fale propagujące. Ta metoda jest obrazowaniem w super rozdzielczości bez fluorescencji, co pozwala na obrazowanie w czasie rzeczywistym bez jakiejkolwiek rekonstrukcji obrazów i informacji.

Techniki mikroskopii dalekiego pola super rozdzielczości

Do 2008 roku limit dyfrakcji został przekroczony, a rozdzielczości obrazowania bocznego od 20 do 50 nm zostały osiągnięte za pomocą kilku technik mikroskopii dalekiego pola „super-rozdzielczości”, w tym stymulowanego zmniejszania emisji (STED) i związanego z nim RESOLFT (odwracalnej nasyconej optycznie liniowej fluorescencji przejścia) mikroskopia; nasycona strukturalna mikroskopia oświetleniowa (SSIM); mikroskopia stochastycznej rekonstrukcji optycznej (STORM); fotoaktywowana mikroskopia lokalizacyjna (PALM); oraz inne metody wykorzystujące podobne zasady.

Cylindryczne supersoczewki poprzez transformację współrzędnych

Zaczęło się to od propozycji Pendry w 2003 roku. Powiększenie obrazu wymagało nowej koncepcji projektowej, w której powierzchnia soczewki negatywowo załamującej się jest zakrzywiona. Jeden cylinder dotyka drugiego cylindra, w wyniku czego powstaje zakrzywiona cylindryczna soczewka, która odwzorowuje zawartość mniejszego cylindra w powiększonej, ale niezniekształconej formie poza większym cylindrem. Przekształcenia współrzędnych są wymagane do zakrzywienia oryginalnej idealnej soczewki w cylindryczną strukturę soczewki.

Następnie w 2005 roku pojawił się 36-stronicowy koncepcyjny i matematyczny dowód, że cylindryczna supersoczewka działa w reżimie quasistatycznym . Debata na temat idealnego obiektywu jest omawiana jako pierwsza.

W 2007 roku ponownie tematem była supersoczewka wykorzystująca transformację współrzędnych. Jednak oprócz transferu obrazu omówiono inne przydatne operacje; translacja, rotacja, odbicie lustrzane i inwersja oraz efekt supersoczewki. Ponadto opisano elementy, które wykonują powiększenie, które są wolne od aberracji geometrycznych, zarówno po stronie wejściowej, jak i wyjściowej, przy wykorzystaniu źródła wolnej przestrzeni (zamiast falowodu). Te elementy powiększające działają również w polu bliskim i dalekim, przenosząc obraz z pola bliskiego do pola dalekiego.

Cylindryczna supersoczewka powiększająca została eksperymentalnie zademonstrowana w 2007 roku przez dwie grupy, Liu et al. oraz Smoljaninowa i in.

Nanooptyka z metamateriałami

Macierz nanootworów jako soczewka

Praca w 2007 wykazały, że quasi-okresowy Tablica nanoholes , w metalowym ekranie w stanie skupić energii optycznej z fali płaskiej , tworząc subwavelength plamy (gorących plam). Odległości dla plam wynosiły kilkadziesiąt długości fali po drugiej stronie matrycy, czyli innymi słowy po przeciwnej stronie fali płaszczyzny padającej . Quasi-okresowy układ nanootworów funkcjonował jako koncentrator światła .

W czerwcu 2008 r. zademonstrowano zdolność szeregu quasi-krystalicznych nanootworów w metalowym ekranie. Więcej niż koncentracja gorących punktów, obraz źródła punktowego jest wyświetlany kilkadziesiąt długości fal z tablicy, po drugiej stronie tablicy (płaszczyźnie obrazu). Również ten typ matrycy wykazywał przemieszczenie liniowe 1 do 1, – od położenia źródła punktowego do odpowiedniego, równoległego położenia na płaszczyźnie obrazu. Innymi słowy, od x do x + δx. Na przykład inne źródła punktowe zostały podobnie przesunięte z x' do x' + δx', z x^ do x^ + δx^ i z x^^ do x^^ + δx^^ i tak dalej. Zamiast funkcjonować jako koncentrator światła, pełni on funkcję konwencjonalnego obrazowania soczewkowego z korespondencją 1 do 1, aczkolwiek ze źródłem punktowym.

Jednak rozdzielczość bardziej skomplikowanych struktur można osiągnąć jako konstrukcje wielu źródeł punktowych. Drobne szczegóły i jaśniejszy obraz, które są zwykle związane z dużymi aperturami numerycznymi konwencjonalnych obiektywów, mogą być niezawodnie wytwarzane. Znaczące zastosowania tej technologii pojawiają się, gdy konwencjonalna optyka nie jest odpowiednia do danego zadania. Na przykład technologia ta jest lepiej nadaje się do obrazowania rentgenowskiego lub nano-optycznych układów, i tak dalej.

Nanosoczewki

W 2010 r. wytworzono i przetestowano prototyp macierzy nanoprzewodów , opisany jako trójwymiarowy (3D) metamateriał – nanosoczewki, składający się z masywnych nanoprzewodów osadzonych w podłożu dielektrycznym .

Nanosoczewka metamateriałowa została skonstruowana z milionów nanodrutów o średnicy 20 nanometrów. Zostały one precyzyjnie dopasowane i zastosowano pakietową konfigurację. Obiektyw jest w stanie przedstawić wyraźny obraz o wysokiej rozdzielczości obiektów o rozmiarach nano, ponieważ do tworzenia obrazu wykorzystuje zarówno normalne propagujące promieniowanie EM , jak i fale zanikające . Obrazowanie w superrozdzielczości zostało zademonstrowane na odległości 6 razy większej od długości fali (λ), w polu dalekim, z rozdzielczością co najmniej λ/4. Jest to znacząca poprawa w stosunku do poprzednich badań i demonstracji innych obrazowania bliskiego i dalekiego pola, w tym macierzy nanootworowych omówionych poniżej.

Właściwości przepuszczalności światła dziurawych folii metalowych

2009-12. Teoretycznie analizowane są właściwości przepuszczalności światła dziurawych folii metalowych w granicy metamateriału, gdzie jednostkowa długość struktur okresowych jest znacznie mniejsza niż długość fali roboczej.

Przenoszenie obrazu przez otwór o długości subfalowej

Teoretycznie wydaje się, że możliwe jest przetransportowanie złożonego obrazu elektromagnetycznego przez maleńki otwór o długości subfalowej o średnicy znacznie mniejszej niż średnica obrazu, bez utraty szczegółów dotyczących długości subfalowej.

Obrazowanie nanocząsteczkowe – kropki kwantowe

Obserwując złożone procesy zachodzące w żywej komórce, łatwo przeoczyć istotne procesy (zmiany) lub szczegóły. Może to być łatwiejsze podczas obserwowania zmian, których rozwój zajmuje dużo czasu i wymaga obrazowania w wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Jednak ostatnie badania oferują rozwiązanie pozwalające przyjrzeć się czynnościom, które zachodzą w komórkach przez godziny lub nawet dni, potencjalnie rozwiązując wiele zagadek związanych ze zdarzeniami na skalę molekularną zachodzącymi w tych maleńkich organizmach.

Wspólny zespół badawczy, pracujący w Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) oraz Narodowym Instytucie Alergii i Chorób Zakaźnych (NIAID), odkrył metodę wykorzystania nanocząstek do oświetlania wnętrza komórki w celu ujawnienia tych powolnych procesów. Nanocząstki, tysiące razy mniejsze od komórki, mają różnorodne zastosowania. Jeden rodzaj nanocząstek, zwany kropką kwantową, świeci pod wpływem światła. Te cząstki półprzewodnikowe mogą być pokryte materiałami organicznymi, które są przystosowane do przyciągania przez określone białka w części komórki, którą naukowiec chce zbadać.

Warto zauważyć, że kropki kwantowe trwają dłużej niż wiele organicznych barwników i białek fluorescencyjnych, które wcześniej były używane do oświetlania wnętrz komórek. Mają też tę zaletę, że monitorują zmiany w procesach komórkowych, podczas gdy większość technik o wysokiej rozdzielczości, takich jak mikroskopia elektronowa, dostarcza tylko obrazy procesów komórkowych zamrożonych w jednym momencie. Za pomocą kropek kwantowych można zaobserwować (wyjaśnić) procesy komórkowe obejmujące dynamiczne ruchy białek.

Badania koncentrowały się przede wszystkim na scharakteryzowaniu właściwości kropek kwantowych, zestawiając je z innymi technikami obrazowania. W jednym z przykładów, kropki kwantowe zostały zaprojektowane tak, aby celowały w określony typ ludzkiego białka krwinek czerwonych, które stanowi część struktury sieciowej w błonie wewnętrznej komórki. Kiedy białka te skupiają się w zdrowej komórce, sieć zapewnia jej mechaniczną elastyczność, dzięki czemu może przeciskać się przez wąskie naczynia włosowate i inne ciasne przestrzenie. Ale kiedy komórka zostaje zarażona pasożytem malarii, zmienia się struktura białka sieciowego.

Ponieważ mechanizm grupowania nie jest dobrze poznany, postanowiono zbadać go za pomocą kropek kwantowych. Gdyby można było opracować technikę wizualizacji grupowania, można by zrozumieć postęp infekcji malarią, która ma kilka odrębnych etapów rozwojowych.

Wysiłki badawcze ujawniły, że gdy białka błonowe się skupiają, dołączone do nich kropki kwantowe są indukowane do skupiania się i świecenia jaśniej, umożliwiając obserwację w czasie rzeczywistym w miarę postępu grupowania się białek. Mówiąc szerzej, badania wykazały, że gdy kropki kwantowe przyczepiają się do innych nanomateriałów, właściwości optyczne kropek zmieniają się w każdym przypadku w wyjątkowy sposób. Ponadto odkryto dowody na to, że właściwości optyczne kropek kwantowych zmieniają się wraz ze zmianami środowiska w nanoskali, co daje większe możliwości wykorzystania kropek kwantowych do wykrywania lokalnego środowiska biochemicznego wewnątrz komórek.

Pozostają pewne obawy dotyczące toksyczności i innych właściwości. Jednak ogólne odkrycia wskazują, że kropki kwantowe mogą być cennym narzędziem do badania dynamicznych procesów komórkowych.

Streszczenie powiązanego opublikowanego artykułu badawczego stwierdza (częściowo): Przedstawiono wyniki dotyczące dynamicznych właściwości fluorescencyjnych biosprzężonych nanokryształów lub kropek kwantowych (QD) w różnych środowiskach chemicznych i fizycznych. Przygotowano i porównano różne próbki QD: wyizolowane pojedyncze QD, agregaty QD i QD sprzężone z innymi materiałami w nanoskali...

Zobacz też

Bibliografia

 Ten artykuł zawiera  materiał domeny publicznej z National Institute of Standards and Technology stronie https://www.nist.gov .

Linki zewnętrzne