Superlens - Superlens

А суперлинза, или же супер линза, это линза который использует метаматериалы выйти за рамки предел дифракции. Предел дифракции - особенность обычных линз и микроскопы это ограничивает точность их разрешения. Было предложено множество конструкций линз, которые тем или иным образом выходят за дифракционный предел, но ограничения и препятствия встречаются с каждой из них.^[1]

История

В 1873 г. Эрнст Аббе сообщили, что обычные линзы не способны уловить некоторые мелкие детали любого изображения. Суперобъектив предназначен для захвата таких деталей. Ограничение обычных линза es препятствует прогрессу в Биологические науки. Это потому, что вирус или же Молекула ДНК не могут быть разрешены с помощью обычных микроскопов с максимальной мощностью. Это ограничение распространяется на мельчайшие процессы клеточные белки движется рядом микротрубочки из живая клетка в их естественной среде обитания. Кроме того, компьютерные чипы и взаимосвязанные микроэлектроника производятся в меньших и меньших масштабах. Это требует специализированных оптическое оборудование, что также ограничено, поскольку в них используется обычный объектив. Следовательно, принципы, регулирующие суперлинзу, показывают, что у нее есть потенциал для визуализации молекулы ДНК и клеточный белок процессы или помощь в производстве компьютерных микросхем и микроэлектроники еще меньшего размера.^[2][3][4][5]

Кроме того, обычные линзы захватывают только распространение свет волны. Это волны, которые проходят от источника света или объекта к линзе или человеческому глазу. В качестве альтернативы это можно изучить как дальнее поле. Напротив, суперлинза захватывает распространяющиеся световые волны и волны, которые остаются на поверхности объекта, которые, в качестве альтернативы, могут быть изучены как дальнее поле и ближнее поле.^[6][7]

В начале 20 века термин «суперлинза» использовался Деннис Габор чтобы описать нечто совершенно иное: систему составных линз.^[8]

Теория

В бинокулярный микроскоп это обычная оптическая система. Пространственное разрешение ограничен предел дифракции это чуть больше 200 нанометры.

Формирование имиджа

Схематические изображения и изображения обычно используемых металлических нанозондов, которые можно использовать для наблюдения за образцом с нанометровым разрешением. Обратите внимание на то, что концы трех нанозондов имеют размер 100 нанометров.^[4]

Изображение объекта может быть определено как материальное или видимое представление характеристик этого объекта. Необходимым условием формирования изображения является взаимодействие с полями электромагнитное излучение. Кроме того, уровень детализации функции или Разрешение изображения, ограничивается длина волны излучения. Например, с оптическая микроскопия, качество изображения и разрешение зависят от длины волны видимый свет. Однако с помощью суперлинзы это ограничение может быть снято и сгенерирован новый класс изображений.^[9]

Электронно-лучевая литография может преодолеть это предел разрешения. С другой стороны, оптическая микроскопия не может быть ограничена некоторым значением чуть выше 200 нанометры.^[4] Тем не мение, новые технологии в сочетании с оптической микроскопией позволяют увеличить разрешение функции (см. разделы ниже).

Одно определение быть ограниченным барьер разрешения, - разрешение, обрезанное на половину длина волны света. В видимый спектр имеет диапазон от 390 до 750 нанометров. Зеленый свет, на полпути между ними составляет около 500 нанометров. При микроскопии учитываются такие параметры, как диафрагма объектива, расстояние от объекта до линзы и показатель преломления наблюдаемого материала. Эта комбинация определяет границу разрешения или микроскопию. оптический предел, который составляет 200 нанометров. Следовательно, обычные линзы, которые буквально создают изображение объекта, используя "обычные" световые волны, отбрасывают информацию, которая дает очень мелкие и мельчайшие детали объекта, которые содержатся в мимолетные волны. Эти размеры меньше 200 нанометров. По этой причине обычные оптические системы, такие как микроскопы, не смогли точно отобразить очень маленькие, нанометровый структуры или нанометрового размера организмы in vivo, например, индивидуальный вирусы, или же Молекулы ДНК.^[4][5]

Ограничения стандартной оптической микроскопии (светлопольная микроскопия ) лежат в трех областях:

• Техника может создавать только темные или сильно преломляющие объекты эффективно.
• Дифракция ограничивает объект, или клетки, разрешение примерно 200 нанометры.
• Не в фокусе свет из точек за пределами фокальная плоскость снижает четкость изображения.

Живой биологический клетки в частности, обычно отсутствует достаточный контраст для успешного изучения, потому что внутренние структуры клетки в большинстве своем бесцветны и прозрачны. Самый распространенный способ увеличить контраст - это пятно различные структуры с выборочными красители, но часто это связано с уничтожением и исправлением образца. Окрашивание также может привести к артефакты, очевидные структурные детали, которые вызваны обработкой образца и, таким образом, не являются законной характеристикой образца.

Обычный объектив

DVD (цифровой универсальный диск). Лазер используется для Передача данных.

Обычный стеклянная линза широко распространено в нашем обществе и в науки. Это один из основных инструментов оптика просто потому, что он взаимодействует с различными длинами волн света. В то же время длина волны свет возможно аналогичный до ширины карандаша, используемого для рисования обычных изображений. Предел становится заметным, например, когда лазер используется в цифровой видеосистеме, может обнаруживать и передавать детали только с DVD на основе длина волны света. Изображение не может быть визуализировано острее за пределами этого ограничения.^[10]

Таким образом, когда объект излучает или отражает свет, существует два типа электромагнитное излучение связанный с этим явление. Эти ближнее поле радиация и дальнее поле радиация. Как следует из его описания, дальнее поле выходит за пределы объекта. Затем его легко захватить и обработать с помощью обычной стеклянной линзы. Однако полезные детали разрешения (нанометрового размера) не наблюдаются, потому что они скрыты в ближнем поле. Они остаются локализованными, находясь намного ближе к светоизлучающему объекту, не могут перемещаться и не могут быть захвачены обычным объективом. Управление излучением ближнего поля для обеспечения высокого разрешения может быть достигнуто с помощью нового класса материалов, которые нелегко получить в природе. Это не похоже на знакомые твердые вещества, Такие как кристаллы, которые получают свои свойства из атомный и молекулярный единицы. Новый класс материалов, получивший название метаматериалы, получает свои свойства от искусственно увеличенной структуры. Это привело к новым свойствам и новым ответам, которые позволяют детали изображений которые выходят за рамки ограничений, накладываемых длиной волны света.^[10]

Субволновая визуализация

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

Это привело к желанию посмотреть живая биологическая клетка взаимодействия в реальном времени, окружающая среда, и потребность в субволновая визуализация. Субволновое изображение можно определить как оптическая микроскопия с возможностью видеть детали объекта или организма ниже длины волны видимого света (см. обсуждение в разделах выше). Другими словами, чтобы иметь возможность наблюдать в режиме реального времени на глубине менее 200 нанометров. Оптическая микроскопия - это неинвазивный метод и технология, потому что повседневный свет - это среда передачи. Изображения ниже оптического предела в оптической микроскопии (субволновые) могут быть разработаны для клеточный уровень, и нанометровый уровень в принципе.

Например, в 2007 году была продемонстрирована методика, в которой на основе метаматериалов линза в сочетании с обычной оптической линзой могла управлять видимым светом, чтобы видеть (наноразмер ) узоры, которые были слишком малы, чтобы их можно было наблюдать обычным оптический микроскоп. Это имеет потенциальное применение не только для наблюдения за целым живая клетка, или для наблюдения клеточные процессы, например, как белки и жиры входить и выходить из камер. в технологии домен, его можно использовать для улучшения первых шагов фотолитография и нанолитография, необходим для производства еще меньших компьютерные чипы.^[4][11]

Сосредоточение на субволна стал уникальным визуализация метод, который позволяет визуализировать на наблюдаемом объекте особенности, которые меньше длины волны фотоны в использовании. Фотон - это минимальная единица света. Хотя ранее считалось, что это физически невозможно, получение изображений в субволновом диапазоне стало возможным благодаря развитию метаматериалы. Обычно это достигается с помощью слоя металла, такого как золото или же серебро немного атомы толстый, который действует как суперлинза, или с помощью 1D и 2D фотонные кристаллы.^[12][13] Существует тонкое взаимодействие между распространяющимися волнами, затухающими волнами, отображением ближнего и дальнего поля, которое обсуждается в следующих разделах.^[4][14]

Ранняя субволновая визуализация

Линзы из метаматериала (Superlens) умеют реконструировать нанометр размер изображения путем создания отрицательный показатель преломления в каждом случае. Это компенсирует быстро разлагающийся мимолетные волны. До появления метаматериалов было предложено и даже продемонстрировано множество других методов создания микроскопия сверхвысокого разрешения. Еще в 1928 году ирландский физик Эдвард Хатчинсон Synge, приписывается замысел и развитие идеи того, что в конечном итоге станет сканирующая оптическая микроскопия в ближнем поле.^[15][16][17]

В 1974 г. предложения по двух-размерный Были представлены технологии изготовления. Эти предложения включали контактное изображение создать рельефный узор, фотолитография, электронная литография, Рентгеновская литография, или же ион обстрел, по соответствующему планарный субстрат.^[18] Общие технологические цели линз из метаматериалов и разнообразие литография стремиться оптически разрешить особенности, имеющие размеры намного меньше, чем у вакуума длина волны разоблачения свет.^[19][20] В 1981 году два разных метода контактной визуализации планарных (плоских) субстратов.микроскопический металлические узоры с синий свет (400 нм ) были продемонстрированы. Одна демонстрация привела к Разрешение изображения 100 нм, а другой - с разрешением от 50 до 70 нм.^[20]

Минимум с 1998 г. ближнее поле оптическая литография был разработан для создания функций нанометрового масштаба. Исследования этой технологии продолжались, поскольку первые экспериментально продемонстрировали метаматериал с отрицательным индексом возник в 2000–2001 гг. Эффективность электронно-лучевая литография в начале нового тысячелетия также проводились исследования для применения в нанометровом масштабе. Отпечаток литографии Было показано, что он имеет желаемые преимущества для исследований и технологий нанометрового масштаба.^[19][21]

Продвинутый глубокий УФ фотолитография теперь может предлагать разрешение менее 100 нм, но минимальный размер элемента и расстояние между рисунками определяются предел дифракции света. Его производные технологии, такие как мимолетный ближнее поле литография, ближнепольная интерференционная литография и литография с фазосдвигающей маской были разработаны для преодоления дифракционного предела.^[19]

В 2000 году Джон Пендри предложили использовать линзу из метаматериала для достижения нанометр -масштабированные изображения для фокусировки ниже длина волны из свет.^[1][22]

Анализ дифракционного предела

Исходная проблема идеальной линзы: общее расширение электромагнитного поля, исходящего от источника, состоит как из распространяющихся волн, так и из волн ближнего поля или затухающих волн. Пример двухмерного линейного источника с электрическим полем, имеющим S-поляризацию, будет иметь плоские волны, состоящие из распространяющихся и исчезающих компонентов, которые распространяются параллельно границе раздела.^[23] Поскольку как распространяющиеся, так и более мелкие затухающие волны продвигаются в направлении, параллельном границе раздела сред, затухающие волны затухают в направлении распространения. Обычные (с положительным индексом) оптические элементы могут перефокусировать распространяющиеся компоненты, но экспоненциально затухающие неоднородные компоненты всегда теряются, что приводит к дифракционному пределу для фокусировки на изображении.^[23]

Суперлинза - это линза, способная субволновая визуализация, позволяя увеличить лучи ближнего поля. Обычные линзы имеют разрешающая способность порядка одного длина волны из-за так называемого дифракционного предела. Этот предел мешает отображать очень маленькие объекты, такие как отдельные атомы, которые намного меньше длины волны видимого света. Суперлинза способна превзойти дифракционный предел. Примером может служить исходная линза, описанная Пендри, в которой используется пластина материала с отрицательным показателем преломления в качестве плоская линза. Теоретически идеальный объектив мог бы идеально фокус - это означает, что он может идеально воспроизвести электромагнитное поле плоскости источника в плоскости изображения.

Дифракционный предел как ограничение на разрешение

Ограничение характеристик обычных линз связано с дифракционным пределом. Следуя Пендри (2000), дифракционный предел можно понять следующим образом. Рассмотрим объект и линзу, размещенную вдоль оси z, так что лучи от объекта движутся в направлении + z. Поле, исходящее от объекта, можно записать в терминах его метод углового спектра, как суперпозиция из плоские волны:

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

куда ${ displaystyle k_ {z}}$ является функцией ${ displaystyle k_ {x}, k_ {y}}$:

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

Принимается только положительный квадратный корень, поскольку энергия идет в +z направление. Все компоненты углового спектра изображения, для которых ${ displaystyle k_ {z}}$ реально передаются и перефокусируются обычным объективом. Однако если

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

тогда ${ displaystyle k_ {z}}$ становится мнимым, а волна - мимолетная волна, чей амплитуда распадается как волна распространяется вдоль z ось. Это приводит к потере высоких частот.угловая частота компоненты волны, содержащие информацию о высокочастотных (мелкомасштабных) характеристиках изображаемого объекта. Максимальное разрешение, которое можно получить, можно выразить через длину волны:

${ displaystyle k _ { text {max}} приблизительно { frac { omega} {c}} = { frac {2 pi} { lambda}},}$

${ displaystyle Delta x _ { text {min}} приблизительно lambda.}$

Суперлинза преодолевает предел. Суперлинза типа Пендри имеет индекс п= −1 (ε = −1, µ = −1), и в таком материале перенос энергии в +z направление требует z компонент волновой вектор иметь противоположный знак:

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

Для больших угловых частот исчезающая волна теперь растет, поэтому при надлежащей толщине линзы все компоненты углового спектра могут передаваться через линзу без искажений. Нет проблем с сохранение энергии, поскольку мимолетные волны не несут ничего в направлении роста: Вектор Пойнтинга ориентирована перпендикулярно направлению роста. Для бегущих волн внутри идеальной линзы вектор Пойнтинга указывает направление, противоположное фазовой скорости.^[3]

Эффекты отрицательного показателя преломления

а) Когда волна ударяется о материал с положительным показателем преломления из вакуума. б) Когда волна ударяется о материал с отрицательным показателем преломления из вакуума. в) Когда объект помещается перед объектом с п= −1, свет от него преломляется, поэтому он фокусируется один раз внутри линзы, а другой - снаружи. Это позволяет получать изображения субволновой длины.

Обычно, когда волна проходит через интерфейс двух материалов волна появляется на противоположной стороне нормальный. Однако, если граница раздела находится между материалом с положительным показателем преломления и другим материалом с отрицательный показатель преломления, волна появится по ту же сторону от нормали. Идея Пендри об идеальной линзе - это плоский материал, в котором п= -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 изображения субволновой длины.^[24]

Разработка и строительство

Одно время строительство суперлинзы считалось невозможным. В 2000 г. Пендри утверждал, что простая плита левосторонний материал сделает свою работу.^[25] Однако экспериментальная реализация такой линзы заняла некоторое время, поскольку изготовить метаматериалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью и проницаемость. Действительно, такого материала в природе не существует, и строительство необходимых метаматериалы нетривиально. Кроме того, было показано, что параметры материала чрезвычайно чувствительны (индекс должен быть равен -1); небольшие отклонения делают субволновое разрешение ненаблюдаемым.^[26][27] 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 реконструирует изображения в ближнее поле. Обе распространение и мимолетные волны может способствовать разрешение изображения.^[1][22][28]

Пендри также предположил, что линза, имеющая только один отрицательный параметр, будет приблизительно образовывать суперлинзу при условии, что задействованные расстояния также очень малы и при условии, что поляризация источника подходящая. Для видимого света это полезная замена, поскольку создание метаматериалов с отрицательной проницаемостью на частоте видимого света затруднено. В этом случае хорошей альтернативой являются металлы, поскольку они имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость (но не отрицательную проницаемость). Пендри предложил использовать серебро из-за относительно низких потерь при расчетной длине волны работы (356 нм). В 2003 году теория Пендри была впервые экспериментально продемонстрирована.^[13] на радиочастотах / микроволновых частотах. В 2005 году две независимые группы проверили линзу Пендри в ультрафиолетовом диапазоне, обе использовали тонкие слои серебра, освещенные ультрафиолетовым светом, для создания «фотографий» объектов, меньших длины волны.^[29][30] Отрицательное преломление видимого света было экспериментально подтверждено в ортованадат иттрия (YVO₄) бикристалл в 2003 году.^[31]

Было обнаружено, что простая конструкция суперлинзы для микроволн может использовать массив параллельных проводников.^[32] Эта структура был показан чтобы иметь возможность улучшить разрешение МРТ визуализация.

В 2004 году появилась первая суперлинза с отрицательный показатель преломления обеспечивал разрешение в три раза лучше дифракционного предела и был продемонстрирован на микроволновая печь частоты.^[33] В 2005 году первый ближнее поле superlens была продемонстрирована N.Fang и другие., но объектив не полагался на отрицательная рефракция. Вместо этого использовалась тонкая серебряная пленка для усиления мимолетные режимы через поверхностный плазмон связь.^[34][35] Почти одновременно Мелвилл и Blaikie удалось с суперлинзой ближнего поля. За ними последовали другие группы.^[29][36] В 2008 году было сообщено о двух достижениях в исследованиях суперлинз.^[37] Во втором случае метаматериал был сформирован из серебряных нанопроволок, которые были электрохимически осаждены в пористом оксиде алюминия. Материал показал отрицательное преломление.^[38] Характеристики изображения таких изотропных линз с отрицательной диэлектрической проницаемостью также были проанализированы в отношении материала и толщины сляба.^[39] Возможности субволновой визуализации с помощью плоских одноосных анизотропных линз, в которых компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют противоположный знак, также изучались в зависимости от параметров структуры.^[40]

Суперлинза еще не демонстрировалась на видимый или почти-инфракрасный частоты (Nielsen, R.B .; 2010). Кроме того, как дисперсионные материалы они могут работать только на одной длине волны. Предлагаемые решения - композиты металл-диэлектрик (МДК).^[41] и многослойные линзовые структуры.^[42] Многослойная суперлинза, по-видимому, имеет лучшее субволновое разрешение, чем однослойная суперлинза. Потери в многослойной системе не так важны, но пока это кажется непрактичным из-за сопротивление несоответствие.^[34]

В то время как развитие технологий нанопроизводства продолжает раздвигать границы изготовления наноструктур, шероховатость поверхности остается неизбежным источником беспокойства при разработке нанофотонных устройств. Также изучалось влияние такой шероховатости поверхности на эффективную диэлектрическую проницаемость и субволновое разрешение изображения многослойных линз металл-диэлектрик. ^[43]

Идеальные линзы

Когда мир наблюдает за обычные линзы, резкость изображение определяется и ограничивается длиной волны свет. Примерно в 2000 году плита из метаматериал с отрицательным индексом предполагалось создать объектив с возможностями, превосходящими обычные (положительный индекс ) линзы. Пендри предложил тонкую плиту отрицательный преломляющий метаматериал может преодолеть известные проблемы с обычными объективами, чтобы получить "идеальный" объектив, который сфокусировал бы весь спектр, как распространение так же хорошо как мимолетный спектры.^[1][44]

Плита из серебро был предложен в качестве метаматериала. Более конкретно, такую ​​тонкую серебряную пленку можно рассматривать как метаповерхность. Когда свет удаляется (распространяется) от источника, он приобретает произвольное фаза. Через обычный объектив фаза остается постоянной, но исчезающие волны экспоненциально распадаться. В квартире метаматериал ДНГ плиты, обычно затухающие затухающие волны, наоборот усиленный. Кроме того, поскольку исчезающие волны теперь усиливаются, фаза меняется на противоположную.^[1]

Поэтому был предложен тип линзы, состоящий из металлической пленки метаматериала. Когда горит рядом с его плазменная частота, объектив можно было использовать для сверхразрешение изображение, которое компенсирует затухание волны и реконструирует изображения в ближнее поле. Кроме того, оба распространение и мимолетные волны способствуют разрешение изображения.^[1]

Пендри предположил, что плиты для левой руки позволяют "идеальное изображение", если они полностью без потерь, согласованный импеданс, и их показатель преломления составляет −1 относительно окружающей среды. Теоретически это было бы прорывом в том, что оптическая версия разрешает такие крохотные объекты, как нанометры через. Пендри предсказал, что двойные отрицательные метаматериалы (ДНГ) с показателем преломления п = -1, может действовать, по крайней мере в принципе, как «идеальная линза», позволяющая получать изображения с разрешением, которое ограничено не длиной волны, а качеством материала.^{[1][45][46][47]}

Другие исследования идеального объектива

Дальше исследование продемонстрировали, что теория Пендри об идеальном объективе не совсем верна. Анализ фокусировки мимолетный спектр (уравнения 13–21 в справочнике^[1]) был ошибочным. Кроме того, это применимо только к одному (теоретическому) экземпляру, а именно к одной конкретной среде, которая не содержит потерь, недисперсна, а составляющие параметры определены как:^[44]

ε (ω) / ε₀= µ (ω) / µ₀= −1, что, в свою очередь, приводит к отрицательной рефракции n = −1

Однако окончательный интуитивный результат этой теории заключается в том, что оба размножающийся и мимолетный волны фокусируются, в результате чего сходятся координационный центр внутри плиты и другая конвергенция (фокус) за пределами плиты оказались правильными.^[44]

Если DNG метаматериальная среда имеет большой отрицательный индекс или становится с потерями или же диспергирующий, Эффект идеальной линзы Пендри не может быть реализован. В результате идеального эффекта линзы вообще не существует. В соответствии с FDTD моделирования в то время (2001 г.) плита DNG действует как преобразователь из импульсной цилиндрической волны в импульсный луч. Более того, в действительности (на практике) среда DNG должна быть и остается дисперсионной и с потерями, что может иметь как желательные, так и нежелательные эффекты, в зависимости от исследования или применения. Следовательно, идеальный эффект линзы Пендри недоступен для любого метаматериала, предназначенного для использования в качестве среды DNG.^[44]

Другой анализ, проведенный в 2002 г.,^[23] идеального объектива концепция показали, что это ошибка при использовании в качестве объекта DNG без потерь и без дисперсии. Этот анализ математически продемонстрировал, что тонкости исчезающих волн, ограничение конечный слой и поглощение привели к несоответствиям и расхождениям, которые противоречат основным математическим свойствам рассеянных волновых полей. Например, в этом анализе говорится, что поглощение, который связан с разброс, всегда присутствует на практике, а поглощение стремится преобразовать усиленные волны в затухающие внутри этой среды (ДНГ).^[23]

Третий анализ концепции идеальных линз Пендри, опубликованный в 2003 году,^[48] использовал недавнюю демонстрацию отрицательная рефракция в микроволновая печь частоты^[49] как подтверждение жизнеспособность фундаментальной концепции идеального объектива. Кроме того, эта демонстрация считалась экспериментальный свидетельство что планарный метаматериал DNG может перефокусировать дальнее поле излучение точечный источник. Однако для идеального объектива требуются существенно разные значения для диэлектрическая проницаемость, проницаемость, и пространственная периодичность чем продемонстрированный отрицательный преломляющий образец.^[48][49]

Это исследование соглашается с тем, что любое отклонение от условий, когда ε = µ = −1, приводит к нормальному, обычному, несовершенному изображению, которое ухудшается экспоненциально, то есть к дифракционному пределу. Идеальное решение для линз при отсутствии потерь опять же непрактично и может привести к парадоксальным интерпретациям.^[23]

Было установлено, что хотя резонансный поверхностные плазмоны нежелательны для визуализации, они оказываются существенными для восстановления затухающих затухающих волн. Этот анализ обнаружил, что метаматериальная периодичность оказывает значительное влияние на восстановление типов быстро исчезающих компонентов. Кроме того, достижение субволновое разрешение возможно с современными технологиями. Отрицательные показатели преломления были продемонстрированы в структурированных метаматериалах. Такие материалы могут быть сконструированы с настраиваемыми параметрами материала и, таким образом, для достижения оптимальных условий. Потери можно минимизировать в конструкциях, использующих сверхпроводящий элементы. Кроме того, рассмотрение альтернативных структур может привести к конфигурациям левовращающих материалов, которые могут достичь субволновой фокусировки. В то время такие конструкции изучались.^[23]

Недавно был предложен эффективный подход для компенсации потерь в метаматериалах, названный схемой плазмонной инжекции.^[50] Схема инжекции плазмона была теоретически применена к несовершенным плоским линзам с отрицательным показателем преломления с разумными потерями материала и при наличии шума.^[51][52] а также гиперлинзы.^[53] Было показано, что даже несовершенные плоские линзы с отрицательным показателем преломления, использующие схему инжекции плазмонов, могут обеспечить получение субдифракционных изображений объектов, что в противном случае невозможно из-за потерь и шума. Хотя схема инжекции плазмонов была первоначально задумана для плазмонных метаматериалов,^[50] концепция является общей и применима ко всем типам электромагнитных режимов. Основная идея схемы - когерентная суперпозиция мод с потерями в метаматериале с соответствующим образом структурированным внешним вспомогательным полем. Это вспомогательное поле учитывает потери в метаматериале, поэтому эффективно снижает потери, испытываемые сигнальным лучом или полем объекта в случае линзы из метаматериала. Схема инжекции плазмона может быть реализована как физически.^[52] или, что эквивалентно, методом постобработки деконволюции.^[51][53] Однако физическая реализация оказалась более эффективной, чем деконволюция. Физическая конструкция свертки и избирательного усиления пространственных частот в узкой полосе пропускания являются ключами к физической реализации схемы инжекции плазмонов. Эта схема компенсации потерь идеально подходит, особенно для линз из метаматериалов, поскольку не требует среды усиления, нелинейности или какого-либо взаимодействия с фононами. Экспериментальная демонстрация схемы инжекции плазмона еще не была показана отчасти из-за того, что теория довольно нова.

Визуализация ближнего поля с помощью магнитных проводов

Призма, состоящая из высокой производительности Рулетики который ведет себя как магнитная лицевая панель, точно передавая распределение магнитного поля от входа к выходной поверхности.^[54]

Теоретическая линза Пендри была разработана для фокусировки как распространяющихся волны и ближнее поле мимолетные волны. Из диэлектрическая проницаемость «ε» и магнитная проницаемость «µ» выводится показатель преломления «n». Показатель преломления определяет, как свет изгибается при переходе от одного материала к другому. В 2003 году было предложено создать метаматериал с чередующимися параллельными слоями п = -1 материалы и п = + 1 материалы, было бы более эффективным дизайном для линза из метаматериала. Это эффективная среда, состоящая из многослойной стопки, которая демонстрирует двулучепреломление, п₂= ∞, n_Икс= 0. Тогда эффективные показатели преломления равны перпендикуляр и параллельно, соответственно.^[54]

Как обычный линза, направление z - вдоль ось рулона. Резонансная частота (w₀) - около 21,3 МГц - определяется конструкцией крена. Демпфирование достигается за счет собственного сопротивления слоев и части диэлектрической проницаемости с потерями.^[54]

Проще говоря, поскольку образец поля передается со входа на выходную грань плиты, информация об изображении переносится по каждому слою. Это было экспериментально продемонстрировано. Чтобы проверить характеристики материала для получения двухмерных изображений, антенна была сконструирована из пары встречно-параллельных проводов в форме буквы М. Это генерировало линию магнитного потока, таким образом обеспечивая характерную картину поля для изображения. Он размещался горизонтально, а материал, состоящий из 271 Рулетики настроенный на 21,5 МГц, располагался над ним. Материал действительно действует как устройство передачи изображения магнитного поля. Форма антенны точно воспроизводится в выходной плоскости как в распределении пиковой интенсивности, так и в «впадинах», ограничивающих M.^[54]

Непротиворечивой характеристикой очень близкого (исчезающего) поля является то, что электрический и магнитные поля в значительной степени развязаны. Это позволяет практически независимо управлять электрическим полем с помощью диэлектрическая проницаемость и магнитное поле с проницаемостью.^[54]

Кроме того, это очень анизотропная система. Следовательно, поперечные (перпендикулярные) компоненты электромагнитного поля, излучающие материал, то есть компоненты волнового вектора k_Икс и k_у, отделены от продольной компоненты k_z. Таким образом, структура поля должна быть перенесена с входной на выходную грань плиты материала без ухудшения информации изображения.^[54]

Оптическая суперлинза с серебряным метаматериалом

В 2003 году группа исследователей показала, что оптические затухающие волны будут усиливаться по мере прохождения через серебро метаматериал линза. Это было названо бездифракционной линзой. Хотя последовательный, высокое разрешение, изображение не предназначалось и не достигалось, регенерация мимолетного поля была экспериментально продемонстрировал.^[55][56]

К 2003 году на протяжении десятилетий было известно, что мимолетные волны можно усилить, создавая возбужденные состояния на интерфейс поверхности. Однако использование поверхностные плазмоны до недавнего предложения Пендри (см. "Идеальный объектив"выше). Изучая пленки различной толщины, было замечено, что быстро растущий коэффициент передачи происходит при соответствующих условиях. Эта демонстрация предоставила прямое свидетельство того, что основа суперлинзирования прочна, и предложила путь, который позволит наблюдать суперлинзирование на оптических длинах волн.^[56]

В 2005 г. последовательный, высокое разрешение, изображение был произведен (по итогам 2003 г.). Более тонкая плита серебро (35 нм) было лучше для изображение с субдифракционным ограничением, что дает одну шестую длины волны освещения. Этот тип линзы использовался для компенсации затухания волны и восстановления изображений в ближнее поле. В предыдущих попытках создать работающую суперлинзу использовалась слишком толстая серебряная пластина.^[22][45]

Объекты отображались размером до 40 нм в диаметре. В 2005 г. предел разрешения изображения для оптические микроскопы был примерно в одну десятую диаметра эритроцит. С серебряной суперлинзой это дает разрешение в одну сотую диаметра эритроцита.^[55]

Обычные линзы, искусственные или натуральные, создают изображения, улавливая распространяющиеся световые волны, которые излучают все объекты, а затем изгибают их. Угол изгиба определяется показателем преломления и всегда был положительным до изготовления искусственных материалов с отрицательным показателем преломления. Объекты также излучают исчезающие волны, которые несут детали объекта, но недоступны с помощью обычной оптики. Такие затухающие волны экспоненциально затухают и, таким образом, никогда не становятся частью разрешения изображения, оптического порога, известного как дифракционный предел. Нарушение этого дифракционного предела и захват исчезающих волн имеют решающее значение для создания 100-процентного идеального представления объекта.^[22]

Кроме того, обычные оптические материалы страдают дифракционным пределом, потому что только распространяющиеся компоненты передаются (через оптический материал) от источник света.^[22] Нераспространяющиеся компоненты, затухающие волны, не передаются.^[23] Кроме того, линзы, улучшающие разрешение изображения за счет увеличения показатель преломления ограничены доступностью материалов с высоким показателем преломления, и точечная субволновая визуализация электронная микроскопия 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 путем сканирования объектов по точкам, что означает, что они обычно ограничиваются неживыми образцами, а время захвата изображения может занимать до нескольких минут.^[22]

С помощью современных оптических микроскопов ученые могут различать только относительно большие структуры внутри клетки, такие как ее ядро ​​и митохондрии. По словам исследователей, с помощью суперлинзы оптические микроскопы однажды смогут выявить движения отдельных белков, путешествующих по микротрубочкам, составляющим скелет клетки. Оптические микроскопы могут сделать снимок всего кадра за доли секунды. Суперлинзы позволяют получать изображения живых материалов в наномасштабе, что может помочь биологам лучше понять структуру и функции клеток в режиме реального времени.^[22]

Достижения магнитная муфта в ТГц и инфракрасный режим обеспечил реализацию возможной метаматериальной суперлинзы. Однако в ближнем поле электрические и магнитные отклики материалов не связаны. Следовательно, для поперечных магнитных (TM) волн необходимо учитывать только диэлектрическую проницаемость. Благородные металлы становятся естественным выбором для суперлинзирования, потому что отрицательная диэлектрическая проницаемость легко достигается.^[22]

Спроектировав тонкую металлическую пластину так, чтобы колебания поверхностного тока ( поверхностные плазмоны ) совпадают с затухающими волнами от объекта, суперлинза способна существенно увеличивать амплитуду поля. Суперлинзирование является результатом усиления затухающих волн поверхностными плазмонами.^[22][55]

Ключ к суперлинзе - ее способность значительно усиливать и восстанавливать исчезающие волны, несущие информацию в очень малых масштабах. Это позволяет получать изображения значительно ниже дифракционного предела. Ни один объектив пока не может полностью воссоздать все мимолетные волны, излучаемые объектом, поэтому цель получения стопроцентно идеального изображения останется неизменной. Однако многие ученые считают, что создать истинно идеальную линзу невозможно, потому что при прохождении волн через любой известный материал всегда будет наблюдаться некоторая потеря поглощения энергии. Для сравнения, изображение суперлинзы существенно лучше, чем изображение, созданное без серебряной суперлинзы.^[22]

Плоский серебряный слой 50 нм

В феврале 2004 г. электромагнитное излучение система фокусировки, основанная на метаматериал с отрицательным индексом плита, выполненная субволна изображение в микроволновая область. Это показало, что получение разделенных изображений намного меньше, чем длина волны из свет возможно.^[57] Также в 2004 г. серебряный слой использовался для суб-микрометр получение изображений в ближнем поле. Сверхвысокого разрешения добиться не удалось, но это было задумано. Слой серебра был слишком толстым, чтобы позволить значительное усиление исчезающих компонентов поля.^[29]

В начале 2005 года разрешение элементов было достигнуто с помощью другого слоя серебра. Хотя это не было реальное изображение, это было задумано. Плотные элементы с разрешением до 250 нм были получены при толщине 50 нм. фоторезист используя освещение от ртутная лампа. Используя моделирование (FDTD ), в исследовании отмечалось, что можно ожидать улучшения разрешения для изображения через серебряные линзы, а не для другого метода визуализации ближнего поля.^[58]

Основываясь на этом предыдущем исследовании, было достигнуто сверхразрешение при оптические частоты используя 50 нм плоский серебряный слой. Возможность разрешение изображения за дифракционным пределом, при изображение в дальней зоне, определяется здесь как сверхразрешение.^[29]

Точность изображения значительно улучшена по сравнению с предыдущими результатами предыдущего экспериментального набора линз. Получение изображений субмикрометровых элементов было значительно улучшено за счет использования более тонких слоев серебра и разделителя, а также за счет уменьшения шероховатости поверхности набора линз. Способность серебряных линз отображать решетки использовалась в качестве теста на максимальное разрешение, поскольку существует конкретный предел способности обычных линз (дальнего поля) отображать периодический объект - в этом случае изображение является дифракционным. решетка. Для освещения нормального падения минимальный пространственный период, который может быть разрешен с длиной волны λ через среду с показателем преломления n, равен λ / n. Следовательно, нулевой контраст можно ожидать на любом (обычном) изображении в дальней зоне ниже этого предела, независимо от того, насколько хорошим может быть сопротивление изображения.^[29]

Пакет (супер) линз здесь дает результат расчета с ограниченным дифракцией разрешением 243 нм. Отображаются решетки с периодами от 500 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.^[29] Ключевыми результатами этого эксперимента являются супер-визуализация субдифракционного предела для периодов 200 и 170 нм. В обоих случаях решетки разрешаются, хотя контраст уменьшается, но это дает экспериментальное подтверждение предложения Пендри о суперлинзировании.^[29]

Для получения дополнительной информации см. Число Френеля и Дифракция Френеля

Линзы GRIN с отрицательным индексом

Индекс градиента (GRIN) - более широкий диапазон характеристик материала, доступный в метаматериалах, должен привести к улучшению конструкции линз GRIN. В частности, поскольку диэлектрическая проницаемость и проницаемость метаматериала можно регулировать независимо, линзы GRIN из метаматериала, по-видимому, могут быть лучше согласованы со свободным пространством. Линза GRIN сконструирована с использованием пластины NIM с переменным показателем преломления в направлении y, перпендикулярном направлению распространения z.^[59]

Суперлинза дальнего поля

В 2005 году группа ученых предложила теоретический способ преодоления ограничения ближнего поля с использованием нового устройства, названного суперлинзой дальнего поля (FSL), которая представляет собой правильно спроектированную суперлинзу на основе периодически гофрированных металлических пластин.^[60]

Получение изображений было экспериментально продемонстрировано в дальней зоне, что стало следующим шагом после экспериментов в ближней зоне. Ключевой элемент - это суперлинза в дальней зоне (FSL), которая состоит из обычной суперлинзы и наноразмерного ответвителя.^[61]

Фокусировка за дифракционным пределом с обращением времени в дальней зоне

Представлен подход для субволновой фокусировки микроволн с использованием как зеркала с обращением времени, помещенного в дальнее поле, так и случайного распределения рассеивателей, размещенных в ближнем поле точки фокусировки.^[62]

Hyperlens

После того, как 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».^[63][64]

В мае 2012 г. ультрафиолетовый (1200-1400 ТГц) гиперлинза была создана с использованием чередующихся слоев нитрид бора и графен.^[65]

В феврале 2018 г. средний инфракрасный (~ 5-25 мкм) была введена гиперлинза, сделанная из изменчиво легированной арсенид индия многослойный, с существенно меньшими потерями.^[66]

Возможности гиперлинзы из метаматериала для получения изображений с ограничением дифракции показаны ниже.

Субдифракционное изображение в дальней зоне

С обычным оптические линзы, то дальнее поле это предел, который слишком далек для мимолетные волны прибыть в целости и сохранности. При визуализации объекта это ограничивает оптическое разрешение линз на заказ длина волны света. Эти нераспространяющиеся волны несут подробную информацию в виде высоких Пространственное разрешение, и преодолеть ограничения. Следовательно, проецирование деталей изображения, обычно ограниченное дифракция в дальнее поле требуется восстановление исчезающих волн.^[67]

По сути, шаги, ведущие к этому расследованию и демонстрации, заключались в использовании анизотропный метаматериал с гиперболический дисперсия. Эффект был таким, что обычные затухающие волны распространялись вдоль радиальный направление слоистого метаматериала. На микроскопический Уровень больших пространственных частот волн распространяется через связанные поверхностные плазмонные возбуждения между металлическими слоями.^[67]

В 2007 году именно такой анизотропный метаматериал использовался как увеличение оптическая гиперлинза. Гиперлинза состояла из изогнутой периодической стопки тонких серебро и глинозем (толщиной 35 нанометров), нанесенный на полуцилиндрическую полость и изготовленный на кварцевой подложке. Радиальный и тангенциальный диэлектрические проницаемости имеют разные знаки.^[67]

На освещение, разбросанные мимолетное 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 объект станет больше (за) дифракционным пределом, его можно будет отобразить с помощью обычного оптического микроскоп, таким образом демонстрируя увеличение и проекцию изображения, ограниченного дифракцией, в дальнее поле.^[67]

Гиперлинза увеличивает объект, преобразовывая рассеянные затухающие волны в распространяющиеся волны в анизотропный средний, 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 узоры, слишком мелкие, чтобы их можно было различить с помощью обычного оптического микроскопа. В одном эксперименте линза смогла различить две 35-нанометровые линии, вытравленные на расстоянии 150 нанометров. Без метаматериалов микроскоп показал только одну толстую линию.^[14]

В контрольном эксперименте объект пары линий был изображен без гиперлинзы. Пара линий не может быть разрешена из-за того, что 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.^[67]

Хотя эта работа, похоже, ограничена тем, что цилиндрический Hyperlens, следующим шагом будет создание сферический линза. Этот объектив будет демонстрировать трехмерные возможности. В ближнепольной оптической микроскопии для сканирования объекта используется наконечник. Напротив, эта оптическая гиперлинза увеличивает изображение, которое ограничено субдифракцией. Затем увеличенное субдифракционное изображение проецируется в дальнее поле.^[14][67]

Оптическая гиперлинза демонстрирует значительный потенциал для таких приложений, как получение изображений биомолекул в реальном времени и нанолитография. Такой объектив можно использовать для наблюдения за клеточными процессами, которые невозможно увидеть. И наоборот, его можно использовать для проецирования изображения с очень мелкими деталями на фоторезист в качестве первого шага в фотолитографии, процессе, используемом для изготовления компьютерных микросхем. Гиперлинза также имеет приложения для технологии DVD.^[14][67]

В 2010 году сферическая гиперлинза для получения двумерных изображений в видимых частотах была экспериментально продемонстрирована. Сферическая гиперлинза была основана на серебре и оксиде титана в чередующихся слоях и имела сильную анизотропную гиперболическую дисперсию, обеспечивающую сверхразрешение с видимым спектром. Разрешение в видимой области спектра составляло 160 нм. Это позволит получать биологические изображения на клеточном уровне и на уровне ДНК с сильным преимуществом увеличения субдифракционного разрешения в дальней зоне.^[68]

Плазмонная микроскопия

Видеть Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.

Супервизор в видимом диапазоне частот

В 2007 году исследователи продемонстрировали супер-визуализацию с использованием материалов, которые создают отрицательный показатель преломления а линзирование достигается в видимом диапазоне.^[45]

Постоянные улучшения в оптическая микроскопия необходимы, чтобы идти в ногу с прогрессом в нанотехнологии и микробиология. Продвижение в Пространственное разрешение это ключ. Обычная оптическая микроскопия ограничена дифракционным пределом порядка 200 нанометры (длина волны). Это означает, что вирусы, белки, ДНК молекулы и многие другие образцы трудно наблюдать в обычный (оптический) микроскоп. Объектив, ранее продемонстрированный с материал с отрицательным показателем преломления, тонкий планарный superlens, не предоставляет увеличение за дифракционным пределом обычных микроскопов. Следовательно, изображения, размер которых меньше обычного дифракционного предела, по-прежнему будут недоступны.^[45]

Другой подход к достижению сверхвысокого разрешения на видимой длине волны - это недавно разработанная сферическая гиперлинза на основе чередующихся слоев серебра и оксида титана. Он имеет сильную анизотропную гиперболическую дисперсию, обеспечивающую сверхвысокое разрешение с преобразованием затухающих волн в распространяющиеся волны. Этот метод представляет собой нефлуоресцентную визуализацию сверхвысокого разрешения, которая позволяет получать изображения в реальном времени без какой-либо реконструкции изображений и информации.^[68]

Методы микроскопии дальнего поля сверхвысокого разрешения

К 2008 году дифракционный предел был превышен, и разрешение изображения в поперечном направлении от 20 до 50 нм было достигнуто с помощью нескольких методов микроскопии дальнего поля 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); микроскопия стохастической оптической реконструкции (STORM); фотоактивированная локализационная микроскопия (PALM); и другие методы, использующие аналогичные принципы.^[69]

Цилиндрическая суперлинза через преобразование координат

Это началось с предложения Пендри в 2003 году. Увеличение изображения потребовало новой концепции дизайна, в которой поверхность отрицательно преломляющей линзы изогнута. Один цилиндр касается другого цилиндра, в результате чего получается изогнутая цилиндрическая линза, которая воспроизводит содержимое меньшего цилиндра в увеличенной, но неискаженной форме за пределами большего цилиндра. Чтобы изогнуть исходную идеальную линзу в цилиндрическую линзовую структуру, требуются преобразования координат.^[70]

За этим последовало 36-страничное концептуальное и математическое доказательство в 2005 году, что цилиндрическая суперлинза работает в квазистатический режим. Сначала обсуждаются споры об идеальном объективе.^[71]

В 2007 году снова была использована суперлинза, использующая преобразование координат. Однако помимо передачи изображений обсуждались и другие полезные операции; перевод, вращение, зеркальное отображение и инверсия, а также эффект суперлинзы. Кроме того, описаны элементы, которые выполняют увеличение, которые не имеют геометрических аберраций, как на входной, так и на выходной сторонах, при этом используются источники свободного пространства (а не волновод). Эти увеличительные элементы также работают в ближнем и дальнем поле, передавая изображение из ближнего поля в дальнее.^[72]

Цилиндрическая увеличительная суперлинза была экспериментально продемонстрирована в 2007 году двумя группами, Liu et al.^[67] и Смольянинов и др.^[45][73]

Нанооптика с метаматериалами

Массив нанохол как линза

Работа 2007 г. показала, что квазипериодический массив наноотверстия, в металл экран, смогли сфокусировать оптическая энергия из плоская волна формировать субволна пятна (горячие точки). Расстояния для пятен составляли несколько десятков длины волн на другой стороне массива, или, другими словами, напротив стороны падающая плоская волна. Квазипериодический массив наноотверстий функционировал как свет концентратор.^[74]

В июне 2008 года за этим последовала продемонстрированная способность множества квазикристалл наноотверстия в металлическом экране. Больше, чем концентрация горячих точек, образ точечный источник отображается в нескольких десятках длин волн от массива, на другой стороне массива (плоскость изображения). Также этот тип массива демонстрировал линейное смещение 1: 1 - от местоположения точечного источника до его соответствующего параллельного местоположения на плоскости изображения. Другими словами, от x до x + δx. Например, другие точечные источники аналогичным образом были перемещены из x 'в x' + δx ', из x ^ в x ^ + δx ^, из x ^^ в x ^^ + δx ^^ и так далее. Вместо того, чтобы работать как концентратор света, он выполняет функцию обычный объектив получение изображений с соответствием 1 к 1, хотя и с точечным источником.^[74]

Тем не мение, разрешающая способность более сложных конструкций можно получить как конструкции из множества точечных источников. Мелкие детали и более яркое изображение, которые обычно ассоциируются с высокие числовые апертуры обычных линз могут быть надежно изготовлены. Известные применения для этого технологии возникают, когда обычная оптика не подходит для поставленной задачи. Например, эта технология лучше подходит для Рентгеновское изображение, или же нанооптический схемы и т. д.^[74]

Нанолинзы

В 2010 году прототип массива нанопроводов, описанный как трехмерный (3D) метаматериал -нанолинзы, состоящие из объемных нанопроволок, осажденных в диэлектрик подложка изготовлена ​​и протестирована.^[75][76]

Нанолинза из метаматериала была построена из миллионов нанопроволок диаметром 20 нанометров. Они были точно выровнены, и была применена комплексная конфигурация. Объектив способен отображать четкое изображение с высоким разрешением. изображение наноразмерных объектов, потому что он использует как нормальное распространение ЭМ излучение, и мимолетные волны построить образ. Изображение сверхвысокого разрешения было продемонстрировано на расстоянии, в 6 раз превышающем длина волны (λ) в дальней зоне с разрешением не менее λ / 4. Это значительное улучшение по сравнению с предыдущими исследованиями и демонстрацией других изображений ближнего и дальнего поля, включая массивы наноотверстий, обсуждаемые ниже.^[75][76]

Светопропускающие свойства дырявых металлических пленок

2009-12.Теоретически проанализированы свойства пропускания света дырчатых металлических пленок в пределе метаматериалов, когда единичная длина периодических структур намного меньше рабочей длины волны.^[77]

Транспортировка изображения через субволновое отверстие

Теоретически представляется возможным переносить сложное электромагнитное изображение через крошечное субволновое отверстие с диаметром, значительно меньшим диаметра изображения, без потери субволновых деталей.^[78]

Визуализация наночастиц - квантовые точки

Наблюдая за сложными процессами в живой клетке, можно легко упустить из виду важные процессы (изменения) или детали. Это может быть проще при наблюдении за изменениями, которые проявляются долго и требуют визуализации с высоким пространственным разрешением. Однако недавнее исследование предлагает решение для тщательного изучения деятельности, которая происходит в течение нескольких часов или даже дней внутри клеток, потенциально разрешая многие загадки, связанные с событиями молекулярного масштаба, происходящими в этих крошечных организмах.^[79]

Совместная исследовательская группа, работающая в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) и Национальном институте аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID), открыла метод использования наночастиц для освещения внутренней части клетки, чтобы выявить эти медленные процессы. Наночастицы, которые в тысячи раз меньше клетки, имеют множество применений. Один тип наночастиц, называемый квантовой точкой, светится при воздействии света. Эти полупроводниковые частицы могут быть покрыты органическими материалами, которые приспособлены для привлечения определенных белков в той части клетки, которую ученый желает изучить.^[79]

Примечательно, что квантовые точки служат дольше, чем многие органические красители и флуоресцентные белки, которые ранее использовались для освещения внутренних частей клеток. У них также есть преимущество мониторинга изменений в клеточных процессах, в то время как большинство методов с высоким разрешением, таких как электронная микроскопия, обеспечивают только изображения клеточных процессов, замороженных в один момент. С помощью квантовых точек можно наблюдать (выяснять) клеточные процессы, связанные с динамическими движениями белков.^[79]

Исследование было сосредоточено в первую очередь на характеристике свойств квантовых точек, противопоставляя их другим методам визуализации. В одном примере квантовые точки были разработаны для нацеливания на определенный тип белка красных кровяных телец человека, который является частью сетевой структуры внутренней мембраны клетки. Когда эти белки объединяются в здоровую клетку, сеть обеспечивает механическую гибкость клетки, чтобы она могла протискиваться через узкие капилляры и другие узкие пространства. Но когда клетка заражается малярийным паразитом, структура сетевого белка изменяется.^[79]

Поскольку механизм кластеризации не совсем понятен, было решено изучить его с помощью квантовых точек. Если бы можно было разработать метод визуализации кластеризации, то можно было бы понять прогресс малярийной инфекции, которая имеет несколько различных стадий развития.^[79]

Исследовательские усилия показали, что по мере того, как мембранные белки собираются в группы, квантовые точки, прикрепленные к ним, объединяются в кластеры и светятся более ярко, что позволяет наблюдать в реальном времени по мере развития кластеризации белков. В более широком смысле, исследование показало, что когда квантовые точки присоединяются 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 дает большую возможность использования квантовых точек для определения локальной биохимической среды внутри клеток.^[79]

Остаются некоторые опасения по поводу токсичности и других свойств. Однако общие результаты показывают, что квантовые точки могут быть ценным инструментом для исследования динамических клеточных процессов.^[79]

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

Смотрите также

Рекомендации

Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Национальный институт стандартов и технологий интернет сайт https://www.nist.gov.

внешняя ссылка

• "В поисках суперлинзы " к Джон Б. Пендри и Дэвид Р. Смит. Scientific American. Июль 2006 г. PDF Имперский колледж.
• Субволновая визуализация
• Профессор сэр Джон Пендри из Массачусетского технологического института - «Идеальный объектив: разрешение за пределами длины волны»
• "Субволновая оптика поверхностных плазмонов " 2009-12-05
• "Суперлинзы для преодоления дифракционного предела "
• "Преодолевая дифракционный предел "Обзор теории суперлинз
• "Моделирование плоской суперлинзы "EM Talk
• "Микроскоп Superlens приближается "
• "Прорыв Superlens "
• "Superlens преодолевает оптический барьер "
• "Материалы с отрицательным показателем преломления Подольского В.А.
• "Оптимизация суперлинзы: манипулирование геометрией для повышения разрешения Подольский В.А. и Кухта Н.А.
• "Теперь вы это видите, а теперь нет: маскировочное устройство - это не просто фантастика "
• "На первой странице описана первая демонстрация отрицательного преломления в природном материале. "
• "Материалы с отрицательным индексом - это просто "
• "Простая суперлинза увеличивает фокусировку "- Объектив, способный фокусироваться в 10 раз более интенсивно, чем любая обычная конструкция, может значительно улучшить беспроводную передачу энергии и фотолитографию (Новый ученый, 24 апреля 2008 г.)
• "Оптическая наноскопия в дальней зоне "Стефан В. Хелл. Том 316. Наука. 25 мая 2007 г.
• "Ультрафиолетовые диэлектрические гиперлинзы со слоистым графеном и нитридом бора ", 22 мая 2012 г.
• Андрей, Михай (04.01.2018). «Новая революционная металинза фокусирует весь видимый спектр в одну точку». ZME Science. Получено 2018-01-05.