Нано инструменты

Новые суперлинзы - база будущей оптоэлектроники

By: Свидиненко Юрий (Svidinenko) 2005.04.28

Новые суперлинзы - база будущей оптоэлектроники

Группа ученых из Калифорнийского университета Беркли создали суперлинзы, которые могут преодолеть ограничивающий дифракционный диапазон микроскопов, работающих на обычной световой оптике. 

С помощью тонкой серебряной фольги и ультрафиолетового света исследователи смогли получить изображения с разрешением около 60 нанометров матрицы нанопроводников и слово "NANO", нанесенное на органическом полимере. В то время как дифракционный предел разрешения обычных оптических микроскопов - 400 нанометров.

Рис. 1. Микроскопия с помощью серебряных суперлинз. Видно различие в разрешении, с которым были получены изображения (слева - 60 нм, справа - 321 нм). Масштабная метка для обоих изображений размером 2 микрона

О своем открытии ученые сообщили в апрельском выпуске журнала Science. Благодаря этому открытию исследования в области нанотехнологий и конструирование наномашин станут более легкими и удобными. А главное - дешевыми. Также развитие этой технологии может послужить базой для расширения емкости DVD-дисков. Как предполагают ученые, на таком сверхъемком DVD можно будет хранить всю Библиотеку Конгресса США, а это уже действительно фантастическая емкость для 12-сантиметрового диска. 

"Наша работа в первую очередь затронет область хранения данных на DVD-дисках. Но кроме хранения информации можно будет использовать принцип суперлинз в биологической микроскопии и инструментах для нанотехнологов", - комментирует результаты своей работы Ксианг Жанг, профессор университета в Беркли.

Никола Фанг, один из коллег Жанга, предполагает, что суперлинзы пригодятся в первую очередь для оптической микроскопии в медицине и биологии. 

С помощью современных оптических микроскопов ученые могут увидеть только такие крупные компоненты клетки, как митохондрии и ядро. Никола утверждает, что с суперлинзовой микроскопией ученые смогут наблюдать за движением белков вдоль микротрубок цитоскелета.

С помощью сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии сегодня можно разглядеть объекты размерами в несколько атомов. Но для получения таких изображений потребуется много времени, так как эти виды микроскопии ограничены по перемещениям зондов, сканирующих поверхность. Также с их помощью нельзя изучить живой образец клетки, поскольку препараты для СТМ и АСМ нужно специально подготавливать. 

Рис. 2. На верхнем рисунке (А) видно слово "NANO", а ниже (В) суперлинзы были убраны. Разрешение полученного изображения - 60  нанометров (рис. А). Без суперлинзы разрешение составило 321 нанометр (рис. В) Масштабная метка для обоих изображений размером 2 микрона

"Главное преимущество оптической микроскопии состоит в том, что мы видим изображение живого образца в реальном времени, - говорит Фанг. - Вот почему с помощью суперлинз можно будет исследовать действующие биологические наносистемы и пытаться конструировать их. А биологи смогут лучше разобраться в природе различных заболеваний".

Открытие суперлинз положило конец дебатам физиков и инженеров о том, как можно обойти дифракционный барьер. Обычные оптические линзы, сделанные человеком или существующие в природе (капли воды, прозрачные кристаллы и т.п.), передают изображение от световых волн, отражающихся от рассматриваемой поверхности. 

Предельную разрешающую способность микроскопа часто называют дифракционным пределом, поскольку она определяется явлениями дифракции на входном зрачке. Правда, до открытия суперлинз уже удавалось с помощью ряда остроумных ухищрений «заглянуть» несколько дальше этого предела. Это и метод, основанный на применении иммерсионных систем (в котором пространство между предметом и объективом заполняется специальными средами) и позволяющий повысить разрешающую способность примерно в 1,5 раза; и метод тёмного поля, основанный на явлении рассеяния света на малых частицах и позволяющий регистрировать наличие сверхмалых частиц, когда их размеры лежат за пределом разрешающей способности микроскопа; и метод фазового контраста, при помощи которого можно изучать полностью прозрачные объекты.

Пользуясь современным языком теории информации, можно сказать, что за попытку проникнуть за дифракционный предел приходится платить ценой потери информации о деталях изучаемого объекта. Действительно, методы субмикроскопии позволяют лишь судить о наличии микрообъектов в поле зрения микроскопа, но не об их форме и других деталях.

Весьма заметный качественный скачок в методах микроскопии был сделан физиками, которые стали использовать инфракрасное, ультрафиолетовое и другие не видимые для глаза излучения. Применение этих излучений для освещения объектов наблюдения было связано с их способностью поглощать, отражать, пропускать и преломлять падающее на них излучение. Поэтому, вообще говоря, при использовании излучений различных участков спектра эти объекты выглядят по-разному. Следовательно, подбирая соответствующее освещение, можно получить новую информацию о предмете, так как характеристики поглощения, отражения, пропускания и преломления реальных неорганических и органических веществ зависят от длины волны.

Короче говоря, получить 100% изображение без потерь информации невозможно даже с использованием "невидимых" лучей.

Все приборы, использующие не видимые глазом излучения, состоят из осветителя (источника освещения), оптических элементов (линз, зеркал, призм и т. п.), пригодных для работ в данном участке спектра, и элементов, преобразующих «невидимое изображение» в видимое. 

Прорыв в системах "невидимой" микроскопии состоит в том, что ученые из Беркли смогли ввести в конструкцию таких микроскопов новый элемент - суперлинзу из пленки серебра.

Рис. 3. Принцип действия микроскопа на суперлинзах

В 2000 году британский физик Джон Пендри сделал теоретическое предположение, что "невидимые" лучи можно захватить и сфокусировать материалом с отрицательным коэффициентом преломления. До него 30 лет назад такое же предположение сделал русский физик Виктор Веселаго.

Однако физики до сих пор сомневались в том, что такой материал может вообще существовать. Как известно из основ оптики, коэффициент преломления может быть только положительным.

Теории Веселаго и Пендри базируются на том, что электромагнитные световые волны, попадая на поверхность с отрицательным коэффициентом преломления, возбуждают коллективную поверхностную волну, или электронные колебания, называемые поверхностными плазмонами. В результате и происходит захват и фокусировка "невидимых лучей".

С тех пор исследователи пытались сделать эффект отрицательного коэффициента преломления, используя различные виды волн. В 2003 группа Жанга была первой, кто доказал, что "невидимые" лучи можно фокусировать суперлинзами из серебра.

Затем команда Жанга улучшила технику UV микроскопии до того, что сейчас можно видеть объекты размерами 60 нанометров. Длина волны UV света в установке составила 365 нанометров.

Лабораторная установка конструировалась следующим образом. Ширина матрицы нанострун (или, как их еще называют, нанопроводников) составила 40 нанометров, а слова "NANO" - около 60. В эксперименте эти объекты поместили перед суперлинзой, которая представляла собой пленку из серебра толщиной 35 нанометров. После суперлинзы исследователи поместили слой полимера-фоторезиста, на котором можно вытравить изображение, сформированное UV светом. 

Примечательно то, что эта суперлинза не дает 100% качества изображения. Теперь исследователи будут работать над тем, чтобы максимально приблизиться к идеальному качеству.

"Мы не получили идеального изображения в нашем эксперименте, - говорит Фанг. - Но одно ясно: наше изображение гораздо лучше и точнее тех, которые мы видим в оптических микроскопах".

Это только начало долгого пути в разработке сверхточных оптических микроскопов и DVD-дисков высокой плотности записи. Но, как сказали ученые, игра стоит свеч. Тем более что проблема дифракционного предела универсальна: используя тот же принцип, можно улучшить современные астрономические приборы до почти фантастической точности. 

Подготовил: Свидиненко Юрий

Источник:

1. University of California - Berkeley: New superlens opens door to nanoscale optical imaging, high-density optoelectronics