Суперлинза: дифракционный предел преодолен!

// CNews: Суперлинза: дифракционный предел преодолен


Ученым удалось создать линзу с разрешением, превосходящим дифракционный предел. Новый инструмент, разрешение которого достигает одной шести длины волны, позволяет получать изображения объектов микронных размеров и сможет найти применение, в частности, в области нанотехнологий.
Традиционный метод увеличения изображений основан на искривлении и последующем фокусировании отраженных от предмета световых лучей каким-либо материалом с положительным коэффициентом преломления. Еще недавно считалось, что предел возможному в оптике ставит фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов. Он заключается в том, что минимальный размер различимого объекта принципиально ограничен дифракцией излучения. Критерий Рэлея является одной из иллюстраций принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому любая попытка повысить степень локализации положения источника света приводит к возрастанию неопределенности импульса фотонов. При рассеянии фотонов в максимальном диапазоне углов точность определения положения не может быть больше, чем половина длины волны отраженного света.

Тем не менее, фундаментальное ограничение удалось преодолеть. Как сообщает PhysicsWeb, американским ученым удалось создать линзу с отрицательным коэффициентом преломления, которая имеет разрешение, равное одной шестой длины волны. Это стало возможным, поскольку законы обычной оптики применимы только для дальней зоны взаимодействия света с объектом – той, которая превышает длину волны падающего излучения. Однако эти ограничения не относятся к так называемому «ближнему световому полю». Оно локализовано на расстояниях много меньших, чем длина оптических волн и ассоциируется с областью, в которой существует излучение нерадиационной природы, амплитуда которого экспоненциально уменьшается по мере увеличения расстояния от границы раздела сред. Нанометровая оптика основана на регистрации в дальней зоне чрезвычайно слабых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в именно ближнем световом поле. Для этого используются экзотические материалы с отрицательным показателем преломления.

Потенциальная возможность изготовления искусственно структурированных на нанометровом уровне материалов, обладающих такими необычными свойствами, была предсказана российским физиком Виктором Веселаго еще в 1968 г, почти за сорок лет до реализации на практике. В апрельском выпуске журнала Science физик из университета штата Калифорния Сян Чжан (Xiang Zhang) описал изготовленную его группой «суперлинзу», представляющую собой серебряную пленку толщиной всего 35 нм, которая, как маска, накладывается на исследуемый объект. Слабые электромагнитные волны от ближнего поля объекта, достигающие поверхности пленки, возбуждают электрические осцилляции на субволновом уровне, известные специалистам как "поверхностные плазмоны", которые затем усиливаются и регистрируются. Такая линза впервые оказалась способной «разглядеть» объекты размером 40 нм, в то время как самые мощные оптические микроскопы имеют разрешающую способность около 400 нм (одна десятая размера красных кровяных телец).

Между 40нм меньше 400нм в десять раз, а 1/6 меньше 1/2 в три раза. Откуда еще фактор 3.(3)? Может, они еще и длину волны сократили, уйдя в ультрафиолет?

"Излучение нерадиационной природы" - это вам не хрен собачий!

>"Излучение нерадиационной природы" - это вам не хрен собачий!
Зубоскалим, да? А я вот пару дней назад доклад слушал примерно на эту же тему.

Суть доклада: товарищ решал одну забавную задачку.
Дано: волновод в виде конуса (работа делается в интересах ближнеполевой оптической зондовой микроскопии, ежели что), диаметр дырдочки при вершине много меньше длины волны падающего из глубины волновода излучения. Искал человек распределение интенсивностей первых трёх мод на срезе отверстия и его зависимость от угла раствора конуса. Нашел. Так вот, ему удалось найти угол, при котором это распределение имеет особенно узкие максимумы (много уже выходного отверстия, а оно и так, блин, в 10 раз меньше длины волны). Решение этой задачи может зело помочь поднять разрешение таких микроскопов, т.к. конус - модель оптического зонда.

Ну, к товарищу вопросы были, но мне, чайнику, думается, что это не бред. Прикол вот в чем: поскольку дырдочка много меньше длины волны, то вообще-то говоря, свет из такого конуса выходить не должон. Вообще. Причем он не выходит весьма хитро - плотность вероятности отловить фотон за дыркой падает по экспоненте. Показатель экспоненты зависит от граничных условий. Ежели кто про туннельный эффект знает - это та самая экспонента.

Если взять в качестве граничных условий (для уравнений Максвелла, они решаются для поля в волноводе) вакуум за дыркой, то это условие является эквивалентом бесконечного потенциального барьера - свет не выходит из зонда вАще. А вот если близко к острию, т.е. зонду подходит некоторая поверхность (а она у нас, как правило, из атомов состоит ;), а те, между прочим, электрические заряды содержат, с ЭМВ взаимодействуют, своё поле имеют), то граничные условия изменяются, и свет начинает проходить. Считайте, что имеется теперь уже потенциальный барьер конечной высоты. Точно также вероятность прохождения света сильно зависит от расстояния до поверхности.

Вот это и имеется в виду(10 тыс. раз ИМХО) под странным выражением 'не хр...', ой, 'Излучение нерадиационной природы'

Так вот, такая неслабая концентрация такого света возможна.

А товарища немного попинали за то, что он граничные условия с потолка взял. А в них для его задачи 95% физики содержится.

Еще два года назад видел сообщение, что, мол, народ в Питере сконцентрировал лазер в пятне в десятки нан (лазер - то ли оптический был, то ли ИК - не помню).

AidarM

Вот это и имеется в виду(10 тыс. раз ИМХО) под странным выражением 'не хр...', ой, 'Излучение нерадиационной природы'

 

ИМХО, не только это. Помните ближнюю и дальнюю зоны? (в тексте как раз про ближнюю сказано битым словом). Ведь когда мы рассматриваем классическое ЭМ-излучение (дипольное, квадрупольное, etc.), то учитываем только "эффекты дальней зоны", собственно, волновой зоны - там ЭМ-волна уже считается плоской, амплитуда зависит от расстояния как 1/r, и т.д. Ну отсюда и все классические результаты для излучения. А в ближней зоне все по-другому, там вообще энергия как-то хитро колобродит (меня это всегда удивляло). И, вполне вероятно, что если мы "отсеем" ближнезонное поле, успеем его поймать, пока оно не затухло на большом расстоянии - тут и будет преодоление дифракционного предела, вернее, этого предела просто не будет - он существует в теории, справедливой для других условий.

Перемещать можно и на ангстремы, пьезоэлементами. Контролировать перемещение можно легко - на поверхность движущегося элемента падает обычный лазерный луч, отражается на многосекционный фотодиод. Аналогия - у вас в руках зеркало и с Луны не видно, как именно вы его ориентировали. Но если с Луны в зеркало лазером пулять, то, поймав отражение, можно знать ориентацию зеркала очень точно. Надо лишь, чтобы движение вызывало известную переориентацию отражающей поверхности.

Конфетка же в том, что сам свет пролезает в дырку меньше длины волны, да еще и внутри этой дырки кучкуется неслабо.

2 Fakir
Ох, мозоль. У меня ентот вопрос так в голове и завис, я тоже не разжевал себе непоперечность ЭМВ в ближней зоне. Только, ИМХО, все эти хитрости в излучении происходят в ближней зоне от зарядов, их излучающих. Не та ситуация.

Про ближнюю зону-то всё как раз понятно, а вот где там линза? Покрыть образец серебром, а потом смотреть на плёнку с другой стороны - это никакая не линза, извините, а обычный электронный микроскоп в своём классическом виде.

Рaстрoвый туннельный микрoскoп

>Во-вторых... умеют все же журналюги "сенсацию" из пальца высосать.
Политика. В КНДР. Зеленоград ИМХО лет десять, как СТМ, АСМ штампует пачками - любо-дорого посмотреть. И не жужжит.

AidarM

2 Fakir
Ох, мозоль. У меня ентот вопрос так в голове и завис, я тоже не разжевал себе непоперечность ЭМВ в ближней зоне.

 

Непоперечность - это бы еще полбеды, так там вдобавок энергия, по идее, должна как-то бродить от заряда к полю и обратно...

Только, ИМХО, все эти хитрости в излучении происходят в ближней зоне от зарядов, их излучающих. Не та ситуация.

 

Ну, происходят-то они везде, только с расстоянием очень уж быстро убывают - но тем не менее "ближнезонное поле" должно быть всюду, хоть и слабое, так в статье ведь и говорится прямо о том, что они исхитряются регистрировать эти самые слабые-слабые поля.

Уж простите за некрофилию, но теперь я хоть немного понимаю, почему сотовый в микроволновке работает! (желающие могут проверить, только микроволновку не включайте). Но это еще означает, что микроволновка не очень-то экранирована...

>теперь я хоть немного понимаю, почему сотовый в микроволновке работает!
А я - нет. Ближняя зона на то и ближняя, что такое поле дохнет с расстоянием довольно быстро. Стало быть, если мы вызываем сотовый, лежащий в печке, "ближняя" компонента поля от антенны узла соты должна добраться до вашего дома. Вы рядом с вышкой живете?

>>теперь я хоть немного понимаю, почему сотовый в микроволновке работает!
AidarM> А я - нет. Ближняя зона на то и ближняя, что такое поле дохнет с расстоянием довольно быстро. Стало быть, если мы вызываем сотовый, лежащий в печке, "ближняя" компонента поля от антенны узла соты должна добраться до вашего дома. Вы рядом с вышкой живете?

Естественно, кто в городе рядом с вышкой не живет? Из тех, что замечал, три в пределе полукилометра. Подозреваю, это и есть те три оператора, что у нас представлены

>>>теперь я хоть немного понимаю, почему сотовый в микроволновке работает!
AidarM>> А я - нет. Ближняя зона на то и ближняя, что такое поле дохнет с расстоянием довольно быстро. Стало быть, если мы вызываем сотовый, лежащий в печке, "ближняя" компонента поля от антенны узла соты должна добраться до вашего дома. Вы рядом с вышкой живете?
killik> Естественно, кто в городе рядом с вышкой не живет? Из тех, что замечал, три в пределе полукилометра. Подозреваю, это и есть те три оператора, что у нас представлены
Опаньки... Сколько там длина волны у GSM (соответсвенно характерные размеры антенны, показатель экспоненты и проч.)? 3 и 1.5см?
И на 3км - ближняя зона?

Татарин> Опаньки... Сколько там длина волны у GSM (соответсвенно характерные размеры антенны, показатель экспоненты и проч.)? 3 и 1.5см?
Татарин> И на 3км - ближняя зона?

GSM-900/1800 у меня в трубе, отдельно выбрать нельзя. Микроволновка вроде 2700...

З.Ы. только что провел эксперимент с другой микроволновкой. Ловит.

Татарин> Опаньки... Сколько там длина волны у GSM (соответсвенно характерные размеры антенны, показатель экспоненты и проч.)? 3 и 1.5см?
Татарин> И на 3км - ближняя зона?

почему 3 км? около 100м у меня до ближайшей антенны через все стены, около 300м через одну стену, а третья в том же направлении что и первая, но через много домов 500м...

З.Ы. Если надо точнее, так я завтра в GOOGLE Earth померяю и скажу. А то я
GPRS-ник

Это неважно. Умножьте длину волны на 10 - вот вам условные границы ближней зоны. "Ближнее" поле, конечно, и на 10км будет, теоретически. Но оно будет очень дохлым. Так что я бы ожидал скорее наводки на корпусе печки от "нормальной" волны. Но это все гадание.

Микроволновка 2450 МГц по мануалу

AidarM>... Так что я бы ожидал скорее наводки на корпусе печки от "нормальной" волны. Но это все гадание.

Означает ли это, что генерируемое магнетроном СВЧ-излучение в результате такой же "наводки на корпусе" проникает наружу печки? Домохозяйки волнуются

>Означает ли это, что генерируемое магнетроном СВЧ-излучение в результате такой же "наводки на корпусе" проникает наружу печки? Домохозяйки волнуются
А от ближнего поля магнетрона они не волнуются? Собс-но, я не понимаю, отчего так. Если и впрямь есть наводки от антенны, то должны быть и наводки от магнетрона.
ИМХО. Весь вопрос в их энергии.

Практический вопрос. А применять сие достижение в области обычной оптики и оптико-электронных средств наблюдения возможно? Или будет возможно? Или областью применения так и останется микромир?