Суперлинза

Суперлинза , , или суперлинза , — это линза , в которой используются метаматериалы позволяющие выйти за пределы дифракционного предела . Дифракционный предел — это особенность обычных линз и микроскопов , которая ограничивает точность их разрешения в зависимости от длины волны освещения и числовой апертуры (ЧА) объектива. Было предложено множество конструкций линз, которые тем или иным образом выходят за пределы дифракционного предела, но каждая из них сталкивается с ограничениями и препятствиями.

История

В 1873 году Эрнст Аббе сообщил, что обычные линзы не способны уловить некоторые мелкие детали любого изображения. Суперлинза предназначена для улавливания таких деталей. Это ограничение обычных линз затормозило прогресс биологических наук . Это связано с тем, что вирус или молекулу ДНК невозможно различить с помощью обычных микроскопов с самой высокой мощностью. Это ограничение распространяется на мельчайшие процессы перемещения клеточных белков вдоль микротрубочек в живой клетки их естественной среде. Кроме того, компьютерные чипы и связанная с ними микроэлектроника продолжают производиться во все более меньших масштабах. Для этого требуется специализированное оптическое оборудование , которое также ограничено, поскольку в нем используются обычные линзы. Следовательно, принципы, лежащие в основе суперлинзы, показывают, что она имеет потенциал для визуализации молекул ДНК, клеточных белковых процессов и помощи в производстве еще более мелких компьютерных чипов и микроэлектроники.

Обычные линзы улавливают только распространяющиеся световые волны . Это волны, которые распространяются от источника света или объекта к линзе или человеческому глазу. Альтернативно это можно изучить как дальнее поле . Напротив, суперлинза улавливает распространяющиеся световые волны и волны, которые остаются на поверхности объекта, который, альтернативно, можно изучать как в дальнем, так и в ближнем поле .

использовал термин «суперлинза» В начале 20-го века Деннис Габор для описания чего-то совершенно иного: сложной системы линзовых линз.

Теория

Бинокулярный микроскоп представляет собой традиционную оптическую систему. Пространственное разрешение ограничено дифракционным пределом , который составляет немногим более 200 нанометров .

Формирование имиджа

Схематические изображения и изображения обычно используемых металлических нанозондов, которые можно использовать для просмотра образца в нанометровом разрешении. Обратите внимание, что кончики трех нанозондов имеют размер 100 нанометров.

Изображение объекта можно определить как материальное или видимое представление особенностей этого объекта. Обязательным условием формирования изображения является взаимодействие с полями электромагнитного излучения . Более того, уровень детализации объектов или разрешение изображения ограничен длиной волны излучения . Например, в оптической микроскопии получение и разрешение изображения зависят от длины волны видимого света. Однако с помощью суперлинзы это ограничение можно устранить и создать новый класс изображений.

Электронно-лучевая литография может преодолеть этот предел разрешения . Оптическая микроскопия, с другой стороны, не может этого сделать, поскольку ограничивается некоторым значением чуть выше 200 нанометров . Однако новые технологии в сочетании с оптической микроскопией начинают позволять увеличивать разрешение объектов (см. разделы ниже).

Одним из определений ограничения разрешающим барьером является разрешение, ограниченное половиной длины волны света . имеет Видимый спектр диапазон от 390 до 750 нанометров. Зеленый свет , находящийся посередине, составляет около 500 нанометров. При микроскопии учитываются такие параметры, как апертура линзы , расстояние от объекта до линзы и показатель преломления наблюдаемого материала. Эта комбинация определяет порог разрешения или оптический предел микроскопии , который составляет 200 нанометров. Таким образом, обычные линзы, которые буквально создают изображение объекта с помощью «обычных» световых волн, отбрасывают информацию, которая создает очень мелкие и мельчайшие детали объекта, содержащиеся в исчезающих волнах . Эти размеры составляют менее 200 нанометров. По этой причине традиционные оптические системы, такие как микроскопы , неспособны точно отображать очень маленькие структуры нанометрового размера или организмы нанометрового размера in vivo , такие как отдельные особи. вирусы или молекулы ДНК .

Ограничения стандартной оптической микроскопии ( микроскопии светлого поля ) заключаются в трех областях:

• Этот метод позволяет эффективно отображать только темные или сильно преломляющие объекты .
• Дифракция ограничивает разрешение объекта или клетки примерно 200 нанометрами .
• Расфокусированный свет от точек за пределами фокальной плоскости снижает четкость изображения.

В частности, живым биологическим клеткам обычно не хватает достаточного контраста для успешного изучения, поскольку внутренние структуры клетки в основном бесцветны и прозрачны. Самый распространенный способ повышения контрастности — окрашивание различных структур селективными красителями , но часто это предполагает уничтожение и фиксацию образца. Окрашивание также может привести к появлению артефактов , видимых структурных деталей, вызванных обработкой образца и, таким образом, не являющихся законной особенностью образца.

Обычный объектив

DVD (цифровой универсальный диск). используется лазер Для передачи данных .

Обычные стеклянные линзы широко распространены в нашем обществе и в науке . Это один из фундаментальных инструментов оптики просто потому, что он взаимодействует со светом различной длины. В то же время длина волны света может быть аналогична ширине карандаша, которым рисуют обычные изображения. Предел нарушается разными способами. Например, лазер, используемый в цифровой видеосистеме, не может считывать с DVD детали , размер которых меньше длины волны лазера. Это ограничивает емкость DVD-дисков.

Таким образом, когда объект излучает или отражает свет, связано два типа электромагнитного излучения с этим явлением . Это излучение ближнего поля и излучение дальнего поля . Как следует из описания, дальнее поле выходит за пределы объекта. Затем его легко захватывать и манипулировать с помощью обычной стеклянной линзы. Однако полезные детали разрешения (нанометрового размера) не наблюдаются, поскольку они скрыты в ближнем поле. Они остаются локализованными, находясь гораздо ближе к светоизлучающему объекту, не могут перемещаться и не могут быть захвачены обычным объективом. Управление излучением ближнего поля для достижения высокого разрешения может быть достигнуто с помощью нового класса материалов, которые нелегко получить в природе. Они не похожи на привычные твердые тела , такие как кристаллы , свойства которых основаны на атомных и молекулярных единицах. Новый класс материалов, названный метаматериалами , получает свои свойства благодаря искусственно увеличенной структуре. Это привело к появлению новых свойств и новых реакций, которые позволяют детали изображений , которые превосходят ограничения, налагаемые длиной волны света.

Субволновая визуализация

«Электрокомпозитор» представлял собой машину электронно-лучевой литографии (электронный микроскоп), предназначенную для написания масок. Он был разработан в начале 1970-х годов и развернут в середине 1970-х годов.

Это привело к желанию наблюдать живые биологические взаимодействия клеток в реальном времени, в естественной среде , а также к необходимости субволновой визуализации . Субволновую визуализацию можно определить как оптическую микроскопию, позволяющую увидеть детали объекта или организма ниже длины волны видимого света (см. обсуждение в разделах выше). Другими словами, иметь возможность наблюдать в реальном времени на расстоянии менее 200 нанометров. Оптическая микроскопия — это неинвазивный метод и технология, поскольку средой передачи является повседневный свет . Визуализация ниже оптического предела в оптической микроскопии (субволновая длина волны) может быть разработана для клеточного уровня и в принципе на нанометровом уровне.

Например, в 2007 году была продемонстрирована методика, при которой линза на основе метаматериалов в сочетании с обычной оптической линзой могла манипулировать видимым светом, чтобы видеть ( наноразмерные ) структуры, которые были слишком малы, чтобы их можно было наблюдать с помощью обычного оптического микроскопа. Это имеет потенциальное применение не только для наблюдения за всей живой клеткой или для наблюдения за клеточными процессами , например, за тем, как белки и жиры входят в клетки и выходят из них. В технологической сфере его можно использовать для улучшения первых этапов фотолитографии и нанолитографии , необходимых для производства компьютерных чипов все меньшего размера .

Фокусировка на субволновой волне стала уникальным методом визуализации , который позволяет визуализировать особенности наблюдаемого объекта, размер которых меньше длины волны фотонов используемых . Фотон — минимальная единица света. Раньше считалось, что это физически невозможно, но субволновая визуализация стала возможной благодаря развитию метаматериалов. Обычно это достигается с помощью слоя металла, такого как золото или серебро , толщиной в несколько атомов, который действует как суперлинза, или с помощью одномерных и двумерных фотонных кристаллов . Существует тонкое взаимодействие между распространяющимися волнами, затухающими волнами, изображениями ближнего поля и изображениями дальнего поля, обсуждаемыми в разделах ниже.

Ранняя субволновая визуализация

Линзы из метаматериала ( суперлинзы ) способны реконструировать изображения нанометрового размера, создавая отрицательный показатель преломления в каждом случае . Это компенсирует быстро затухающие затухающие волны. До появления метаматериалов было предложено и даже продемонстрировано множество других методов создания микроскопии сверхвысокого разрешения . Еще в 1928 году ирландскому физику Эдварду Хатчинсону Синджу приписывают зарождение и развитие идеи того, что в конечном итоге стало сканирующей оптической микроскопией ближнего поля .

В 1974 году были представлены предложения по двумерным технологиям изготовления. Эти предложения включали контактную визуализацию для создания рельефного рисунка, фотолитографию, электронно-лучевую литографию , рентгеновскую литографию или ионную бомбардировку на соответствующей плоской подложке. Общие технологические цели линзы из метаматериала и разновидности литографии направлены на оптическое разрешение деталей, размеры которых намного меньшие, чем размеры вакуумной длины волны экспонирующего света. В 1981 году были продемонстрированы два различных метода контактной визуализации плоских (плоских) субмикроскопических металлических рисунков синим светом (400 нм ). Одна демонстрация привела к разрешению изображения 100 нм, а другая - от 50 до 70 нм.

В 1995 году Джон Герра объединил прозрачную решетку с линиями и промежутками 50 нм («метаматериал») с обычным иммерсионным объективом микроскопа. Полученная «суперлинза» разрешила образец кремния, также имеющий линии и промежутки 50 нм, что намного превышает классический дифракционный предел, налагаемый освещением с длиной волны 650 нм в воздухе.

По крайней мере, с 1998 года оптическая литография ближнего поля была предназначена для создания элементов нанометрового масштаба. Исследования этой технологии продолжались, поскольку первый экспериментально в 2000–2001 годах появился продемонстрированный метаматериал с отрицательным показателем преломления. В начале нового тысячелетия также исследовалась эффективность электронно-лучевой литографии для приложений нанометрового масштаба. Было показано, что импринтная литография имеет желательные преимущества для исследований и технологий нанометрового масштаба.

Усовершенствованная фотолитография в глубоком УФ-диапазоне теперь может обеспечивать разрешение менее 100 нм, однако минимальный размер элемента и расстояние между шаблонами определяются дифракционным пределом света. Его производные технологии, такие как мимолетная литография ближнего поля, литография ближнепольной интерференции и литография с фазосдвигающей маской, были разработаны для преодоления дифракционного предела.

В 2000 году Джон Пендри предложил использовать линзу из метаматериала для получения изображений нанометрового масштаба для фокусировки ниже длины волны света.

Анализ дифракционного предела

Исходная проблема идеальной линзы: общее расширение электромагнитного поля, исходящего от источника, состоит как из распространяющихся волн, так и из ближнепольных или затухающих волн. Пример двумерного линейного источника с электрическим полем, имеющим S-поляризацию, будет иметь плоские волны, состоящие из распространяющихся и затухающих компонентов, которые движутся параллельно границе раздела. Поскольку как распространяющаяся, так и более мелкие затухающие волны движутся в направлении, параллельном границе раздела сред, затухающие волны затухают в направлении распространения. Обычные (положительные) оптические элементы могут перефокусировать распространяющиеся компоненты, но экспоненциально затухающие неоднородные компоненты всегда теряются, что приводит к дифракционному пределу фокусировки на изображение.

Суперлинза — это линза, способная получать субволновые изображения, позволяющая увеличивать лучи ближнего поля. Обычные линзы имеют разрешение порядка одной длины волны из-за так называемого дифракционного предела. Этот предел препятствует визуализации очень маленьких объектов, таких как отдельные атомы, размер которых намного меньше длины волны видимого света. Суперлинза способна преодолеть дифракционный предел. используется пластинка материала с отрицательным показателем преломления Примером может служить первоначальная линза, описанная Пендри, в которой в качестве плоской линзы . Теоретически идеальная линза должна быть способна идеально фокусироваться – это означает, что она могла бы идеально воспроизводить электромагнитное поле плоскости источника в плоскости изображения.

Дифракционный предел как ограничение разрешения

Ограничение производительности обычных линз связано с дифракционным пределом. Следуя Пендри (2000), дифракционный предел можно понимать следующим образом. Рассмотрим объект и линзу, расположенные вдоль оси z так, что лучи от объекта движутся в направлении +z. Поле, исходящее от объекта, можно записать в терминах метода его углового спектра как суперпозицию плоских волн :

$E(x,y,z,t)=\sum _{k_{x},k_{y}}A(k_{x},k_{y})e^{i\left(k_{z}z+k_{y}y+k_{x}x-\omega t\right)},$

где $k_{z}$ является функцией $k_{x},k_{y}$:

$k_{z}={\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.$

Берется только положительный квадратный корень, поскольку энергия движется в направлении + z . Все компоненты углового спектра изображения, для которых $k_{z}$ реальны, передаются и перефокусируются обычной линзой. Однако, если

$k_{x}^{2}+k_{y}^{2}>{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}},$

затем $k_{z}$ становится мнимой, а волна представляет собой затухающую волну, амплитуда которой затухает по мере распространения волны вдоль оси z . Это приводит к потере высокоуглочастотных составляющих волны, содержащих информацию о высокочастотных (мелкомасштабных) особенностях изображаемого объекта. Максимальное разрешение, которое можно получить, можно выразить через длину волны:

$k_{\text{max}}\approx {\frac {\omega }{c}}={\frac {2\pi }{\lambda }},$

$\Delta x_{\text{min}}\approx \lambda .$

Суперлинза преодолевает ограничения. Суперлинза типа Пендри имеет индекс n =−1 (ε=−1, µ=−1), и в таком материале перенос энергии в направлении + z требует, чтобы z -компонента волнового вектора имела противоположные значения. знак:

$k'_{z}=-{\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.$

Для больших угловых частот затухающая волна теперь растет , поэтому при правильной толщине линзы все компоненты углового спектра могут проходить через линзу без искажений. нет Проблем с сохранением энергии , поскольку затухающие волны не несут ее в направлении роста: вектор Пойнтинга ориентирован перпендикулярно направлению роста. Для бегущих волн внутри идеальной линзы вектор Пойнтинга направлен в направлении, противоположном фазовой скорости.

Эффекты отрицательного показателя преломления

а) Когда волна попадает в материал с положительным показателем преломления из вакуума. б) Когда волна падает на материал с отрицательным показателем преломления из вакуума. в) Когда объект помещается перед объектом с n = −1, свет от него преломляется, поэтому он фокусируется один раз внутри линзы, а другой раз снаружи. Это позволяет получать субволновые изображения.

Обычно, когда волна проходит через границу двух материалов, волна появляется на противоположной стороне нормали . Однако если граница раздела находится между материалом с положительным показателем преломления и другим материалом с отрицательным показателем преломления, волна появится по ту же сторону от нормали. Идея Пендри об идеальной линзе — это плоский материал, где n = −1. Такая линза позволяет лучам ближнего поля, которые обычно затухают из-за дифракционного предела, фокусироваться один раз внутри линзы и один раз за ее пределами, что позволяет получать субволновые изображения.

Девелопмент и строительство

Создание суперлинзы одно время считалось невозможным. простая плита левого материала . В 2000 году Пендри заявил, что с этой задачей справится Однако экспериментальная реализация такой линзы заняла некоторое время, поскольку изготовить метаматериалы как с отрицательной диэлектрической проницаемостью, так и с проницаемостью не так-то просто . Действительно, такого материала в природе не существует, и создание необходимых метаматериалов является нетривиальной задачей. Кроме того, было показано, что параметры материала чрезвычайно чувствительны (индекс должен быть равен −1); небольшие отклонения делают субволновое разрешение ненаблюдаемым. Из-за резонансной природы метаматериалов, от которой зависят многие (предлагаемые) реализации суперлинз, метаматериалы обладают высокой дисперсией. Чувствительность суперлинзы к параметрам материала приводит к тому, что суперлинзы на основе метаматериалов имеют ограниченный полезный частотный диапазон. Эта первоначальная теоретическая конструкция суперлинзы состояла из метаматериала, который компенсировал затухание волны и восстанавливал изображения в ближнем поле. Как распространяющиеся, так и затухающие волны могут способствовать разрешению изображения.

Пендри также предположил, что линза, имеющая только один отрицательный параметр, будет образовывать приблизительную суперлинзу при условии, что соответствующие расстояния также очень малы и при условии, что поляризация источника соответствует. Для видимого света это полезная замена, поскольку создание метаматериалов с отрицательной проницаемостью на частоте видимого света затруднено. Металлы являются тогда хорошей альтернативой, поскольку они имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость (но не отрицательную проницаемость). Пендри предложил использовать серебро из-за его относительно низких потерь на предполагаемой рабочей длине волны (356 нм). В 2003 году теория Пендри была впервые экспериментально продемонстрирована. на радиочастотных/микроволновых частотах. В 2005 году две независимые группы проверили линзу Пендри в УФ-диапазоне, обе использовали тонкие слои серебра, освещенные УФ-светом, для создания «фотографий» объектов размером меньше длины волны. Отрицательное преломление видимого света было экспериментально подтверждено на бикристалле ортованадата иттрия (YVO ₄ ) в 2003 году.

Было обнаружено, что простая конструкция суперлинзы для микроволн может использовать массив параллельных проводящих проводов. что эта структура Было показано, способна улучшить разрешение МРТ- изображений.

В 2004 году первая суперлинза с отрицательным показателем преломления обеспечила разрешение в три раза превышающее дифракционный предел и была продемонстрирована на микроволновых частотах. первую суперлинзу ближнего поля продемонстрировали В 2005 году Н. Фанг и др. . , но линза не полагалась на отрицательное преломление . Вместо этого использовалась тонкая серебряная пленка для усиления затухающих мод за счет взаимодействия поверхностных плазмонов . Почти в то же время Мелвиллу и Блейки удалось создать суперлинзу ближнего поля. За ними последовали другие группы. В 2008 году сообщалось о двух достижениях в области исследований суперлинз. Во втором случае метаматериал формировался из нанопроволок серебра, электрохимически осажденных в пористый оксид алюминия. Материал демонстрировал отрицательное преломление. Качество изображения таких изотропных пластинчатых линз с отрицательной диэлектрической проницаемостью также анализировалось с учетом материала и толщины пластины. Изучены также возможности субволновой визуализации с помощью плоских одноосных анизотропных линз, в которых компоненты диэлектрического тензора имеют противоположный знак в зависимости от параметров структуры.

Суперлинза еще не была продемонстрирована на видимых или ближних инфракрасных частотах (Nielsen, RB; 2010). Более того, как дисперсионные материалы, они ограничены работой на одной длине волны. Предлагаемые решения – металлодиэлектрические композиты (МДК). и многослойные линзовые структуры. Многослойная суперлинза, по-видимому, имеет лучшее субволновое разрешение, чем однослойная суперлинза. Потери не вызывают беспокойства в многослойной системе, но пока это кажется непрактичным из-за импедансов . несогласования

В то время как эволюция методов нанопроизводства продолжает расширять границы изготовления наноструктур, шероховатость поверхности остается неизбежным источником беспокойства при проектировании нанофотонных устройств. Также было изучено влияние этой шероховатости поверхности на эффективные диэлектрические проницаемости и разрешение субволнового изображения многослойных линз из стопки металл-изолятор.

Идеальные линзы

Когда мир наблюдается через обычные линзы, резкость изображения определяется длиной волны света и ограничивается ею. Примерно в 2000 году было высказано предположение, что кусок метаматериала с отрицательным преломлением позволит создать линзу с возможностями, превосходящими обычные линзы ( с положительным преломлением ). Пендри предположил, что тонкая пластинка метаматериала с отрицательным преломлением может преодолеть известные проблемы с обычными линзами и создать «идеальную» линзу, которая будет фокусировать весь спектр, как распространяющийся, так и затухающий.

В качестве метаматериала была предложена плита серебра. Более конкретно, такую ​​тонкую пленку серебра можно рассматривать как метаповерхность . По мере удаления (распространения) света от источника он приобретает произвольную фазу . Через обычную линзу фаза остается постоянной, но затухающие волны затухают экспоненциально . В плоской плите метаматериала DNG обычно затухающие затухающие волны наоборот усиливаются . Более того, поскольку исчезающие волны теперь усиливаются, фаза меняется на противоположную.

Поэтому был предложен тип линзы, состоящей из металлического пленочного метаматериала. При освещении вблизи своей плазменной частоты линзу можно использовать для получения изображений со сверхвысоким разрешением , которое компенсирует затухание волны и восстанавливает изображения в ближнем поле. Кроме того, на разрешение изображения влияют как распространяющиеся, так и затухающие волны.

Пендри предположил, что левосторонние плиты обеспечивают «идеальное изображение», если они полностью без потерь, согласованы по импедансу и их показатель преломления равен -1 по отношению к окружающей среде. Теоретически это было бы прорывом в том, что оптическая версия разрешает объекты размером до нанометров. Пендри предсказал, что двойные негативные метаматериалы (DNG) с показателем преломления n = -1 могут действовать, по крайней мере, в принципе, как «идеальная линза», обеспечивающая разрешение изображения, которое ограничено не длиной волны, а, скорее, качеством материала.

Другие исследования, касающиеся идеальной линзы

Дальнейшие исследования показали, что теория Пендри об идеальной линзе не совсем верна. Анализ фокусировки затухающего спектра (уравнения 13–21 в ссылке ) был ошибочным. Кроме того, это применимо только к одному (теоретическому) экземпляру, и это одна конкретная среда, которая является без потерь, недисперсионной, а составляющие параметры определяются как:

ε(ω)/ε ₀ =μ(ω)/μ ₀ =−1, что, в свою очередь, приводит к отрицательному преломлению n=−1.

Однако окончательный интуитивный результат этой теории, заключающийся в том, что как распространяющаяся, так и затухающая волны фокусируются, что приводит к схождению фокусной точки внутри плиты и другой конвергенции (фокусной точки) за пределами плиты, оказался правильным.

DNG Если среда метаматериала имеет большой отрицательный индекс или становится с потерями или дисперсией , эффект идеальной линзы Пендри не может быть реализован. В результате идеального эффекта линз не существует вообще. Согласно расчетам FDTD того времени (2001 г.), плита DNG действует как преобразователь импульсной цилиндрической волны в импульсный луч. Более того, в действительности (на практике) среда DNG должна быть и является дисперсионной и с потерями, что может иметь как желательные, так и нежелательные эффекты, в зависимости от исследования или применения. Следовательно, эффект идеальной линзы Пендри недоступен для любого метаматериала, предназначенного для использования в качестве среды DNG.

Другой анализ, проведенный в 2002 г. идеального объектива Концепция показала, что она ошибочна при использовании в качестве объекта DNG без потерь и дисперсии. Этот анализ математически продемонстрировал, что тонкости затухающих волн, ограничение конечной пластиной и поглощение привели к несоответствиям и расхождениям, которые противоречат основным математическим свойствам рассеянных волновых полей. Например, этот анализ показал, что поглощение , связанное с дисперсией , всегда присутствует на практике, и поглощение имеет тенденцию превращать усиленные волны в затухающие внутри этой среды (ДНГ).

Третий анализ концепции идеальной линзы Пендри, опубликованный в 2003 году, использовал недавнюю демонстрацию отрицательного преломления на микроволновых частотах. как подтверждение жизнеспособности фундаментальной концепции идеального объектива. Кроме того, эта демонстрация считалась экспериментальным доказательством того, что планарный метаматериал DNG будет перефокусировать излучение точечного источника в дальней зоне. Однако идеальная линза потребует значительно других значений диэлектрической проницаемости , проницаемости и пространственной периодичности , чем продемонстрированный образец с отрицательным преломлением.

Это исследование подтверждает, что любое отклонение от условий, при которых ε=μ=−1, приводит к нормальному, традиционному, несовершенному изображению, которое ухудшается экспоненциально, т. е. к дифракционному пределу. Идеальное решение линзы при отсутствии потерь опять-таки непрактично и может привести к парадоксальным интерпретациям.

Было установлено, что, хотя резонансные поверхностные плазмоны нежелательны для визуализации, они оказываются существенными для восстановления затухающих затухающих волн. Этот анализ показал, что периодичность метаматериала оказывает существенное влияние на восстановление типов исчезающих компонентов. Кроме того, достижение субволнового разрешения с помощью современных технологий возможно . Отрицательные показатели преломления были продемонстрированы в структурированных метаматериалах. Такие материалы можно спроектировать так, чтобы они имели настраиваемые параметры материала и таким образом достигали оптимальных условий. Потери вплоть до микроволновых частот можно минимизировать в структурах, использующих сверхпроводящие элементы. Более того, рассмотрение альтернативных структур может привести к конфигурациям левых материалов, которые могут обеспечить субволновую фокусировку. В то время такие структуры изучались.

Недавно был предложен эффективный подход к компенсации потерь в метаматериалах, названный схемой инжекции плазмонов. Схема инжекции плазмонов теоретически применена к несовершенным плоским линзам с отрицательным преломлением при разумных потерях материала и при наличии шумов. а также гиперлинзы. Было показано, что даже несовершенные плоские линзы с отрицательным преломлением, оснащенные схемой инжекции плазмонов, могут обеспечить субдифракционное изображение объектов, что в противном случае невозможно из-за потерь и шума. Хотя схема инъекции плазмонов изначально была концептуализирована для плазмонных метаматериалов, концепция является общей и применима ко всем типам электромагнитных мод. Основная идея схемы заключается в когерентной суперпозиции мод с потерями в метаматериале с соответствующим образом структурированным внешним вспомогательным полем. Это вспомогательное поле учитывает потери в метаматериале и, следовательно, эффективно уменьшает потери, испытываемые сигнальным лучом или полем объекта в случае линзы из метаматериала. Схема инъекции плазмона может быть реализована как физически, так и физически. или, что то же самое, с помощью метода постобработки деконволюции. Однако физическая реализация оказалась более эффективной, чем деконволюция. Физическая конструкция свертки и избирательное усиление пространственных частот в узкой полосе пропускания являются ключом к физической реализации схемы инжекции плазмонов. Эта схема компенсации потерь идеально подходит, особенно для линз из метаматериалов, поскольку она не требует усиливающей среды, нелинейности или какого-либо взаимодействия с фононами. Экспериментальная демонстрация схемы инжекции плазмонов пока не показана, отчасти потому, что теория достаточно нова.

Визуализация ближнего поля с помощью магнитных проводов

Призма, состоящая из высокоэффективных швейцарских валиков , которая действует как магнитная лицевая панель, точно передавая распределение магнитного поля от входной к выходной грани.

Теоретическая линза Пендри была разработана для фокусировки как распространяющихся волн, так и затухающих волн ближнего поля. Из диэлектрической проницаемости «ε» и магнитной проницаемости «μ» получают показатель преломления «n». Показатель преломления определяет, как свет преломляется при переходе от одного материала к другому. В 2003 году было высказано предположение, что метаматериал, построенный из чередующихся параллельных слоев материалов n = -1 и материалов n = +1 , будет более эффективной конструкцией линзы из метаматериала . Это эффективная среда, состоящая из многослойной стопки, обладающая двойным лучепреломлением , n ₂ =∞, n _x =0. Тогда эффективные показатели преломления перпендикулярны и параллельны соответственно.

Как и у обычной линзы, направление z совпадает с осью валка. Резонансная частота (w ₀ ) – около 21,3 МГц – определяется конструкцией валка. Демпфирование достигается за счет собственного сопротивления слоев и части диэлектрической проницаемости с потерями.

Проще говоря, когда образец поля передается от входной к выходной грани плиты, информация об изображении передается по каждому слою. Это было экспериментально продемонстрировано. Чтобы проверить эффективность двумерного изображения материала, антенна была сконструирована из пары антипараллельных проводов в форме буквы М. Это генерировало линию магнитного потока, обеспечивая тем самым характерную диаграмму поля для визуализации. материал, состоящий из 271 швейцарского рулона Его размещали горизонтально, а сверху располагали , настроенного на частоту 21,5 МГц. Материал действительно действует как устройство передачи изображений магнитного поля. Форма антенны точно воспроизводится в выходной плоскости, как в распределении пиковой интенсивности, так и в «долинах», ограничивающих М.

Постоянной характеристикой очень ближнего (затухающего) поля является то, что электрическое и магнитное поля в значительной степени развязаны. Это позволяет практически независимо манипулировать электрическим полем с диэлектрической проницаемостью и магнитным полем с проницаемостью.

Кроме того, это сильно анизотропная система . Следовательно, поперечные (перпендикулярные) компоненты электромагнитного поля, излучающие материал, то есть компоненты волнового вектора k _x и _ky , отделяются от продольной компоненты k _z . Таким образом, рисунок поля должен быть перенесен с входной на выходную грань плиты материала без ухудшения качества информации изображения.

Оптическая суперлинза с серебряным метаматериалом

В 2003 году группа исследователей показала, что оптические затухающие волны будут усиливаться, когда они проходят через линзу из серебряного метаматериала. Такая линза называлась бездифракционной. Хотя создание когерентного изображения с высоким разрешением не было запланировано и не было достигнуто, регенерация исчезающего поля была экспериментально продемонстрирована.

К 2003 году уже несколько десятилетий было известно, что затухающие волны можно усилить за счет создания возбужденных состояний на поверхностях раздела . Однако использование поверхностных плазмонов для реконструкции исчезающих компонентов не предпринималось до недавнего предложения Пендри (см. выше « Идеальная линза »). При исследовании пленок различной толщины было отмечено, что быстро растущий коэффициент пропускания при соответствующих условиях происходит . Эта демонстрация предоставила прямое доказательство того, что основа суперлинзирования прочна, и предложила путь, который позволит наблюдать суперлинзирование на оптических длинах волн.

В 2005 году было получено связное изображение высокого разрешения (по результатам 2003 года). Более тонкая пластинка серебра (35 нм) лучше подходит для получения изображений с ограничением субдифракции, что дает одну шестую длины волны освещения. Этот тип линз использовался для компенсации затухания волны и восстановления изображения в ближнем поле. В предыдущих попытках создать работающую суперлинзу использовалась слишком толстая пластина серебра.

Объекты были изображены размером всего 40 нм в поперечнике. В 2005 году предел разрешения изображений для оптических микроскопов составлял примерно одну десятую диаметра эритроцита . При использовании серебряной суперлинзы разрешение составляет одну сотую диаметра эритроцита.

Обычные линзы, искусственные или природные, создают изображения, улавливая распространяющиеся световые волны, излучаемые всеми объектами, а затем изгибая их. Угол изгиба определяется показателем преломления и всегда был положительным до тех пор, пока не были изготовлены искусственные материалы с отрицательным показателем преломления. Объекты также излучают мимолетные волны, которые несут детали объекта, но их невозможно получить с помощью обычной оптики. Такие затухающие волны затухают экспоненциально и, таким образом, никогда не становятся частью разрешения изображения — оптического порога, известного как дифракционный предел. Преодоление этого дифракционного предела и улавливание затухающих волн имеют решающее значение для создания 100-процентно идеального представления объекта.

Кроме того, обычные оптические материалы страдают от дифракционного предела, поскольку от источника света передаются только распространяющиеся компоненты (оптическим материалом). Нераспространяющиеся компоненты, затухающие волны, не передаются. Более того, линзы, которые улучшают разрешение изображения за счет увеличения показателя преломления, ограничены доступностью материалов с высоким показателем преломления, а поточечная субволновая визуализация электронной микроскопии также имеет ограничения по сравнению с потенциалом работающей суперлинзы. Сканирующие электронные и атомно-силовые микроскопы теперь используются для улавливания деталей размером до нескольких нанометров. Однако такие микроскопы создают изображения, сканируя объекты по точкам, а это означает, что они обычно ограничиваются неживыми образцами, а время захвата изображения может достигать нескольких минут.

С помощью современных оптических микроскопов ученые могут различать только относительно крупные структуры внутри клетки, такие как ее ядро ​​и митохондрии. По словам исследователей, с помощью суперлинз оптические микроскопы однажды смогут выявить движения отдельных белков, перемещающихся по микротрубочкам, составляющим скелет клетки. Оптические микроскопы могут захватить весь кадр одним снимком за долю секунды. Суперлинзы позволяют получать наноразмерные изображения живых материалов, что может помочь биологам лучше понять структуру и функционирование клеток в режиме реального времени.

Достижения магнитной связи в ТГц и инфракрасном режиме обеспечили реализацию возможной суперлинзы из метаматериала. Однако в ближнем поле электрические и магнитные отклики материалов не связаны. Следовательно, для поперечных магнитных (ТМ) волн необходимо учитывать только диэлектрическую проницаемость. Благородные металлы становятся естественным выбором для суперлинзирования, поскольку легко достигается отрицательная диэлектрическая проницаемость.

Спроектировав тонкую металлическую пластину так, чтобы колебания поверхностного тока (поверхностные плазмоны) соответствовали затухающим волнам от объекта, суперлинза способна существенно увеличить амплитуду поля. Суперлинзирование возникает в результате усиления затухающих волн поверхностными плазмонами.

Ключом к суперлинзе является ее способность значительно усиливать и восстанавливать исчезающие волны, которые несут информацию в очень малых масштабах. Это позволяет получать изображения значительно ниже дифракционного предела. Ни одна линза пока не способна полностью воссоздать все исчезающие волны, излучаемые объектом, поэтому цель создания 100-процентно идеального изображения сохранится. Однако многие ученые полагают, что по-настоящему идеальная линза невозможна, поскольку при прохождении волн через любой известный материал всегда будут иметь место некоторые потери на поглощение энергии. Для сравнения, изображение суперлинзы существенно лучше, чем изображение, созданное без серебряной суперлинзы.

Плоский слой серебра толщиной 50 нм

Дополнительная информация: число Френеля и дифракция Френеля.

В феврале 2004 года система фокусировки электромагнитного излучения, основанная на пластине из метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, осуществила субволновую визуализацию в микроволновой области. Это показало, что возможно получение разделенных изображений при длине волны, намного меньшей длины волны света. Кроме того, в 2004 году слой серебра использовался для субмикрометровой визуализации ближнего поля. Сверхвысокого разрешения добиться не удалось, но так и было задумано. Слой серебра был слишком толстым, чтобы обеспечить значительное усиление исчезающих компонентов поля.

В начале 2005 года разрешение объектов было достигнуто с помощью другого слоя серебра. Хотя это было не настоящее изображение, оно было задумано. Плотное разрешение до 250 нм было получено в фоторезисте толщиной 50 нм с использованием освещения ртутной лампой . Используя моделирование ( FDTD ), исследование отметило, что улучшения разрешения можно ожидать при визуализации с помощью серебряных линз, а не при использовании другого метода визуализации в ближнем поле.

На основе этого предыдущего исследования сверхразрешение было достигнуто на оптических частотах с использованием плоского слоя серебра толщиной 50 нм. Возможность разрешения изображения за пределами дифракционного предела для изображений в дальнем поле определяется здесь как сверхразрешение.

Точность изображения значительно улучшена по сравнению с предыдущими результатами предыдущего экспериментального набора линз. Визуализация субмикрометровых деталей была значительно улучшена за счет использования более тонких слоев серебра и разделительных слоев, а также за счет уменьшения шероховатости поверхности набора линз. Способность серебряных линз отображать решетки использовалась в качестве окончательного теста разрешения, поскольку существует конкретный предел для способности обычной линзы (дальнего поля) отображать периодический объект - в этом случае изображение представляет собой дифракцию. решетка. Для освещения с нормальным падением минимальный пространственный период, который можно разрешить с длиной волны λ через среду с показателем преломления n, равен λ/n. Таким образом, на любом (традиционном) изображении в дальнем поле ниже этого предела можно ожидать нулевого контраста, независимо от того, насколько хорошим может быть сопротивление изображения.

В данном случае набор (супер)линз дает в результате вычислений разрешение, ограниченное дифракцией, равное 243 нм. Изображены решетки с периодами от 500 нм до 170 нм, при этом глубина модуляции в резисте уменьшается по мере уменьшения периода решетки. Все решетки с периодами выше дифракционного предела (243 нм) хорошо разрешаются. Ключевыми результатами этого эксперимента являются суперизображения субдифракционного предела для периодов 200 нм и 170 нм. В обоих случаях решетки разрешаются, хотя контраст уменьшается, но это дает экспериментальное подтверждение предложения Пендри о суперлинзировании.

Линзы GRIN с отрицательным индексом

Индекс градиента (GRIN). Более широкий диапазон отклика материала, доступный в метаматериалах, должен привести к улучшению конструкции линз GRIN. В частности, поскольку диэлектрическую проницаемость и проницаемость метаматериала можно регулировать независимо, линзы из метаматериала GRIN, по-видимому, лучше подходят для свободного пространства. Линза GRIN изготовлена ​​из пластины NIM с переменным показателем преломления в направлении y, перпендикулярном направлению распространения z.

Суперлинза дальнего поля

В 2005 году группа предложила теоретический способ преодолеть ограничение ближнего поля с использованием нового устройства, названного суперлинзой дальнего поля (FSL), которое представляет собой правильно спроектированную суперлинзу на основе периодически гофрированных металлических пластин.

Визуализация была экспериментально продемонстрирована в дальнем поле, что стало следующим шагом после экспериментов в ближнем поле. Ключевой элемент называется суперлинзой дальнего поля (FSL), которая состоит из обычной суперлинзы и наноразмерного соединителя.

Фокусировка за пределами дифракционного предела с обращением времени в дальней зоне

Представлен подход к субволновой фокусировке микроволн с использованием как зеркала, обращающего время, помещенного в дальнюю зону, так и случайного распределения рассеивателей, размещенных в ближней зоне точки фокусировки.

Гиперлинза

Как только была продемонстрирована возможность получения изображений ближнего поля, следующим шагом было проецирование изображения ближнего поля в дальнее поле. Эта концепция, включая технику и материалы, получила название «гиперлинза».

В мае 2012 года расчеты показали, что ультрафиолетовую (1200–1400 ТГц) гиперлинзу можно создать с использованием чередующихся слоев нитрида бора и графена .

В феврале 2018 года была представлена ​​гиперлинза среднего инфракрасного диапазона (~ 5–25 мкм), изготовленная из многослойного арсенида индия с различными добавками , которая обеспечивала значительно меньшие потери.

Возможности метаматериала-гиперлинзы для получения изображений с ограничением субдифракции показаны ниже.

Субдифракционная визуализация в дальнем поле

В случае обычных оптических линз дальнее поле представляет собой границу, слишком далекую для того, чтобы затухающие волны могли достичь цели в целости и сохранности. При визуализации объекта это ограничивает оптическое разрешение линз порядка длины волны света. Эти нераспространяющиеся волны несут подробную информацию в форме высокого пространственного разрешения и преодолевают ограничения. Следовательно, проецирование деталей изображения, обычно ограниченных дифракцией, в дальнее поле требует восстановления затухающих волн.

По сути, шагами, приведшими к этому исследованию и демонстрации, было использование анизотропного метаматериала с гиперболической дисперсией. Эффект оказался таким, что обычные затухающие волны распространяются вдоль радиального направления слоистого метаматериала. На микроскопическом уровне волны большой пространственной частоты распространяются посредством связанных поверхностных плазмонных возбуждений между металлическими слоями.

В 2007 году именно такой анизотропный метаматериал был использован в качестве увеличивающей оптической гиперлинзы. Гиперлинза состояла из изогнутой периодической стопки тонкого серебра и оксида алюминия (толщиной 35 нанометров), нанесенной на полуцилиндрическую полость и изготовленной на кварцевой подложке. Радиальная и тангенциальная диэлектрическая проницаемости имеют разные знаки.

При освещении рассеянное эванесцентное поле от объекта попадает в анизотропную среду и распространяется в радиальном направлении. В сочетании с другим эффектом метаматериала возникает увеличенное изображение на внешней границе дифракционного предела гиперлинзы. Как только увеличенный элемент превышает (за пределами) дифракционный предел, его можно отобразить с помощью обычного оптического микроскопа, демонстрируя таким образом увеличение и проекцию изображения, ограниченного субдифракцией, в дальнее поле.

Гиперлинза увеличивает объект, преобразуя рассеянные затухающие волны в распространяющиеся волны в анизотропной среде, проецируя изображение высокого разрешения с пространственным разрешением в дальнее поле. Таким образом, этот тип линзы на основе метаматериалов в сочетании с обычной оптической линзой способен обнаруживать структуры, слишком мелкие, чтобы их можно было различить с помощью обычного оптического микроскопа. В одном эксперименте линза смогла различить две 35-нанометровые линии, выгравированные на расстоянии 150 нанометров друг от друга. Без метаматериалов микроскоп показывал только одну толстую линию.

В контрольном эксперименте объект пары линий был изображен без гиперлинзы. Пару линий не удалось разрешить, поскольку дифракционный предел (оптической) апертуры был ограничен 260 нм. Поскольку гиперлинза поддерживает распространение очень широкого спектра волновых векторов, она может увеличивать произвольные объекты с разрешением, ограниченным субдифракцией.

Хотя эта работа, похоже, ограничена цилиндрической гиперлинзой , следующим шагом будет разработка сферической линзы. Этот объектив будет обладать трехмерными возможностями. Оптическая микроскопия ближнего поля использует наконечник для сканирования объекта. Напротив, эта оптическая гиперлинза увеличивает изображение, ограниченное субдифракцией. Увеличенное субдифракционное изображение затем проецируется в дальнее поле.

Оптическая гиперлинза демонстрирует значительный потенциал для таких приложений, как биомолекулярная визуализация в реальном времени и нанолитография. Подобную линзу можно было бы использовать для наблюдения за клеточными процессами, которые раньше невозможно было увидеть. И наоборот, его можно использовать для проецирования изображения с чрезвычайно мелкими деталями на фоторезист в качестве первого шага в фотолитографии — процессе, используемом для изготовления компьютерных чипов. Гиперлинза также имеет применение для технологии DVD.

В 2010 году экспериментально была продемонстрирована сферическая гиперлинза для двумерного изображения на видимых частотах. Сферическая гиперлинза была основана на оксидах серебра и титана в чередующихся слоях и имела сильную анизотропную гиперболическую дисперсию, обеспечивающую сверхразрешение в видимом спектре. Разрешение составляло 160 нм в видимом спектре. Это позволит получать биологические изображения на уровне клеток и ДНК, обеспечивая значительное преимущество увеличения субдифракционного разрешения в дальней зоне.

Плазмонная микроскопия

Дополнительная информация: Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.

Суперизображение в видимом диапазоне частот

В 2007 году исследователи продемонстрировали супервизуализацию с использованием материалов, которые создают отрицательный показатель преломления и линзирование достигается в видимом диапазоне.

, необходимы постоянные улучшения оптической микроскопии Чтобы идти в ногу с прогрессом нанотехнологий и микробиологии . Ключевое значение имеет улучшение пространственного разрешения. Обычная оптическая микроскопия ограничена дифракционным пределом, составляющим порядка 200 нанометров (длина волны). Это означает, что вирусы , белки, молекулы ДНК и многие другие образцы трудно наблюдать в обычный (оптический) микроскоп. Линза, ранее продемонстрированная из материала с отрицательным показателем преломления, тонкая плоская суперлинза, не обеспечивает увеличения, превышающего дифракционный предел обычных микроскопов. Поэтому изображения размером меньше обычного дифракционного предела по-прежнему будут недоступны.

Другой подход к достижению сверхразрешения в видимом диапазоне волн — это недавно разработанная сферическая гиперлинза на основе чередующихся слоев оксидов серебра и титана. Он имеет сильную анизотропную гиперболическую дисперсию, обеспечивающую сверхразрешение за счет преобразования затухающих волн в распространяющиеся волны. Этот метод представляет собой визуализацию сверхвысокого разрешения, не основанную на флуоресценции, что позволяет получать изображения в реальном времени без какой-либо реконструкции изображений и информации.

Методы микроскопии в дальнем поле со сверхвысоким разрешением

К 2008 году предел дифракции был превышен, и разрешение латеральной визуализации от 20 до 50 нм было достигнуто с помощью нескольких методов микроскопии в дальнем поле со «сверхвысоким разрешением», включая истощение стимулированного излучения (STED) и связанный с ним RESOLFT (обратимый насыщаемый оптически линейный флуоресцентный метод). переходы) микроскопия; микроскопия с насыщенным структурированным освещением (SSIM); стохастическая оптическая реконструктивная микроскопия (STORM); фотоактивируемая локализационная микроскопия (PALM); и другие методы, использующие аналогичные принципы.

Цилиндрическая суперлинза посредством преобразования координат

Это началось с предложения Пендри в 2003 году. Для увеличения изображения потребовалась новая концепция дизайна, в которой поверхность отрицательно преломляющей линзы изогнута. Один цилиндр соприкасается с другим цилиндром, в результате чего образуется изогнутая цилиндрическая линза, которая воспроизводит содержимое меньшего цилиндра в увеличенном, но неискаженном виде за пределами большего цилиндра. Преобразования координат необходимы для того, чтобы изогнуть исходную идеальную линзу в цилиндрическую линзовую структуру.

За этим в 2005 году последовало 36-страничное концептуальное и математическое доказательство того, что цилиндрическая суперлинза работает в квазистатическом режиме . Сначала обсуждаются дебаты по поводу идеального объектива.

В 2007 году снова речь шла о суперлинзе, использующей преобразование координат. Однако помимо передачи изображений обсуждались и другие полезные операции; перемещение, вращение, зеркальное отображение и инверсия, а также эффект суперлинзы. Кроме того, описаны элементы, обеспечивающие увеличение, которые лишены геометрических аберраций как на входной, так и на выходной стороне, используя при этом источник свободного пространства (а не волновод). Эти увеличительные элементы также работают в ближнем и дальнем поле, перенося изображение из ближнего поля в дальнее.

Цилиндрическая увеличительная суперлинза была экспериментально продемонстрирована в 2007 году двумя группами: Лю и др. and Smolyaninov et al.

Нанооптика с метаматериалами

Массив наноотверстий как линза

Работа 2007 года продемонстрировала, что квазипериодический массив наноотверстий в металлическом экране способен фокусировать оптическую энергию плоской волны с образованием субволновых пятен (горячих точек). Расстояния для пятен составляли несколько десятков длин волн на другой стороне решетки, или, другими словами, противоположной стороне падающей плоской волны . Квазипериодический массив наноотверстий выполнял функцию концентратора света.

В июне 2008 года за этим последовала демонстрация возможностей массива квазикристаллических наноотверстий в металлическом экране. Изображение точечного источника не просто концентрирует горячие точки, а отображается на расстоянии нескольких десятков длин волн от массива, на другой стороне массива (плоскости изображения). Кроме того, этот тип массива демонстрировал линейное смещение 1 к 1 – от местоположения точечного источника до его соответствующего параллельного местоположения на плоскости изображения. Другими словами, от x до x + δx. Например, другие точечные источники были аналогичным образом смещены с x' на x' + δx', с x^ на x^ + δx^ и с x^^ на x^^ + δx^^ и так далее. Вместо того, чтобы функционировать как концентратор света, он выполняет функцию формирования изображения обычной линзы с соответствием 1 к 1, хотя и с точечным источником.

Однако разрешение более сложных структур может быть достигнуто путем построения нескольких точечных источников. Могут быть надежно воспроизведены мелкие детали и более яркое изображение, которые обычно ассоциируются с высокой числовой апертурой обычных объективов. Заметные применения этой технологии возникают, когда обычная оптика не подходит для поставленной задачи. Например, эта технология лучше подходит для рентгеновской визуализации или нанооптических схем и так далее.

Нанолинза

прототип массива нанопроволок, описанный как трехмерный (3D) метаматериал-нанолинза, состоящий из объемных нанопроволок, нанесенных на диэлектрическую подложку. В 2010 году был изготовлен и протестирован

Нанолинза метаматериала была построена из миллионов нанопроволок диаметром 20 нанометров. Они были точно выровнены, и была применена пакетная конфигурация. Линза способна отображать четкое изображение наноразмерных объектов с высоким разрешением, поскольку для построения изображения она использует как обычное распространяющееся электромагнитное излучение, так и затухающие волны. Визуализация со сверхвысоким разрешением была продемонстрирована на расстоянии, в 6 раз превышающем длину волны (λ), в дальней зоне с разрешением не менее λ/4. Это значительное улучшение по сравнению с предыдущими исследованиями и демонстрацией других методов визуализации ближнего и дальнего поля, включая массивы наноотверстий, обсуждаемые ниже.

Светопропускные свойства дырчатых металлических пленок

2009–12. Теоретически проанализированы светопроводящие свойства дырочных металлических пленок в пределе метаматериала, когда единица длины периодических структур значительно меньше рабочей длины волны.

Передача изображения через субволновое отверстие

Теоретически представляется возможным передать сложное электромагнитное изображение через крошечное субволновое отверстие, диаметр которого значительно меньше диаметра изображения, без потери субволновых деталей.

Визуализация наночастиц – квантовые точки

Наблюдая за сложными процессами в живой клетке, легко не заметить существенные процессы (изменения) или детали. Это может легче произойти при наблюдении за изменениями, которые требуют много времени для развития и требуют визуализации с высоким пространственным разрешением. Однако недавние исследования предлагают решение для тщательного изучения действий, которые происходят в клетках в течение часов или даже дней, потенциально раскрывая многие загадки, связанные с событиями молекулярного масштаба, происходящими в этих крошечных организмах.

Совместная исследовательская группа, работающая в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) и Национальном институте аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID), обнаружила метод использования наночастиц для освещения внутренней части клетки и выявления этих медленных процессов. Наночастицы, в тысячи раз меньше клетки, имеют множество применений. Один тип наночастиц, называемый квантовой точкой, светится под воздействием света. Эти полупроводниковые частицы могут быть покрыты органическими материалами, которые притягиваются к определенным белкам в той части клетки, которую ученый хочет изучить.

Примечательно, что квантовые точки сохраняются дольше, чем многие органические красители и флуоресцентные белки, которые ранее использовались для освещения внутренней части клеток. Они также имеют то преимущество, что позволяют отслеживать изменения в клеточных процессах, в то время как большинство методов высокого разрешения, таких как электронная микроскопия, предоставляют только изображения клеточных процессов, замороженных в один момент. С помощью квантовых точек можно наблюдать (выяснять) клеточные процессы, связанные с динамическим движением белков.

Исследование было сосредоточено в первую очередь на характеристике свойств квантовых точек и сравнении их с другими методами визуализации. В одном примере квантовые точки были разработаны для воздействия на определенный тип белка эритроцитов человека, который является частью сетевой структуры внутренней мембраны клетки. Когда эти белки группируются вместе в здоровой клетке, сеть обеспечивает механическую гибкость клетки, позволяя ей проходить через узкие капилляры и другие узкие пространства. Но когда клетка заражается малярийным паразитом, структура сетевого белка меняется.

Поскольку механизм кластеризации недостаточно изучен, было решено исследовать его с помощью квантовых точек. Если бы можно было разработать метод визуализации кластеризации, можно было бы понять развитие малярийной инфекции, которая имеет несколько различных стадий развития.

Исследования показали, что по мере того, как мембранные белки группируются, прикрепленные к ним квантовые точки вынуждены группироваться и светиться ярче, что позволяет наблюдать в реальном времени по мере продвижения кластеризации белков. В более широком смысле, исследование показало, что когда квантовые точки прикрепляются к другим наноматериалам, оптические свойства точек меняются уникальным образом в каждом случае. Кроме того, были обнаружены доказательства того, что оптические свойства квантовых точек изменяются по мере изменения наноразмерной среды, что открывает большие возможности использования квантовых точек для определения локальной биохимической среды внутри клеток.

Некоторые опасения остаются по поводу токсичности и других свойств. Однако общие результаты показывают, что квантовые точки могут быть ценным инструментом для исследования динамических клеточных процессов.

В аннотации к соответствующей опубликованной исследовательской статье говорится (частично): Представлены результаты, касающиеся динамических флуоресцентных свойств биоконъюгированных нанокристаллов или квантовых точек (КТ) в различных химических и физических средах. Были приготовлены и сравнены разнообразные образцы КТ: изолированные отдельные КТ, агрегаты КТ и КТ, конъюгированные с другими наноразмерными материалами...

См. также

• Акустические метаматериалы
• История метаматериалов
• Метаматериал поглотитель
• Метаматериальные антенны
• Маскировка метаматериала
• Метаматериалы с отрицательным индексом
• Нелинейные метаматериалы
• Фотонный кристалл
• Фотонные метаматериалы
• Плазмонные метаматериалы
• Сейсмические метаматериалы

• Разъемный кольцевой резонатор
• Терагерцовые метаматериалы
• Теории маскировки
• Трансформационная оптика
• Настраиваемые метаматериалы
• Плазмонная линза

Академические журналы

• Метаматериалы (журнал)

Книги о метаматериалах

• Справочник по метаматериалам
• Метаматериалы: физические и инженерные исследования

Ученые-метаматериалы

• Надер Энгета
• Ульф Леонхардт
• Джон Пендри
• Владимир Шалаев
• Дэвид Р. Смит
• Сергей Третьяков (ученый)
• Ричард В. Циолковски

Ссылки

Эта статья включает общедоступные материалы Национального института стандартов и технологий.

Внешние ссылки

• « В поисках суперлинзы » Джона Б. Пендри и Дэвида Р. Смита . Научный американец . Июль 2006 г. PDF Имперский колледж .
• Субволновая визуализация
• Профессор сэр Джон Пендри из Массачусетского технологического института – «Идеальный объектив: разрешение за пределами длины волны».
• " Поверхностно-плазмонная субволновая оптика " 5 декабря 2009 г.
• « Суперлинзы для преодоления дифракционного предела. Архивировано 20 июля 2011 г. в Wayback Machine ».
• « Преодоление дифракционного предела. Архивировано 28 февраля 2009 г. в Wayback Machine ». Обзор теории суперлинз.
• « Моделирование плоской суперлинзы » EM Talk
• « Микроскоп с суперлинзой приближается. Архивировано 19 января 2012 г. в Wayback Machine »
• « Прорыв в суперлинзах. Архивировано 19 января 2012 г. в Wayback Machine ».
• « Суперлинза преодолевает оптический барьер. Архивировано 13 января 2012 г. в Wayback Machine ».
• « Материалы с отрицательным показателем преломления » В.А. Подольского.
• « Оптимизация суперлинзы: манипулирование геометрией для повышения разрешения » В.А. Подольский и Николас А. Кухта
• « Теперь вы это видите, а теперь нет: маскировочное устройство — это не просто научная фантастика »
• " На первой странице описана первая демонстрация отрицательного преломления в природном материале "
• « Материалы с отрицательным индексом стали проще. Архивировано 17 января 2010 г. в Wayback Machine ».
• « Простая «суперлинза» увеличивает мощность фокусировки ». Объектив, способный фокусироваться в 10 раз интенсивнее, чем любая традиционная конструкция, может значительно улучшить беспроводную передачу энергии и фотолитографию ( New Scientist , 24 апреля 2008 г.)
• " Оптическая наноскопия в дальнем поле. Стефан В. Хелл. Том 316. Наука . 25 мая 2007 г.
• « Ультрафиолетовая диэлектрическая гиперлинза со слоистым графеном и нитридом бора », 22 мая 2012 г.
• Андрей, Михай (04 января 2018 г.). «Новая революционная металинза фокусирует весь видимый спектр в одной точке» . ЗМЭ Наука . Проверено 5 января 2018 г.