Hyperboliske metamaterialer muliggør nanoskala fingeraftryk

Hyperboliske metamaterialer er kunstigt fremstillede strukturer, der kan dannes ved at deponere skiftevis tynde lag af en leder, såsom sølv eller grafen, på et substrat. En af deres særlige evner er at støtte udbredelsen af ​​en meget smal lysstråle, som kan genereres ved at placere en nanopartikel på dens øverste overflade og belyse den med en laserstråle.

Det er ekstremt udfordrende at realisere i praksis subbølgelængdebilleder af ukendte og vilkårlige objekter, men som University of Michigan og Purdue University forskere rapporterer i APL Photonics , det er ikke altid nødvendigt at få et fuldt billede, når noget om det objekt allerede er kendt.

"Et velkendt eksempel fra hverdagen er fingeraftrykket, "sagde Theodore B. Norris, ved University of Michigan. "Et fingeraftryksgenkendelsessystem behøver ikke at opnå et komplet billede i høj opløsning af fingeraftrykket-det behøver kun at genkende det." Så Evgenii E. Narimanov, en af ​​medforfatterne, begyndte at tænke på, om objekter i nanometer-skala kunne identificeres uden behov for at få komplette billeder.

Strålingens udbredelsesretning inde i et hyperbolsk metamateriale afhænger af lysets bølgelængde. Ved at feje det indfaldende lyss bølgelængde, den smalle stråle vil scanne hen over det nederste hyperbolske metamateriale og dets luftgrænseflade. Hvis nano-objekter er placeret nær bundgrænsefladen, de spreder lys; denne spredning er stærkest, når den smalle stråle er rettet mod dem.

"Vi kan måle den spredte lysstyrke ved hjælp af en fotodetektor og plotte den spredte lysstyrke kontra bølgelængden af ​​det indfaldende lys, "sagde Zhengyu Huang, en kandidatstuderende ved University of Michigan. "Et sådant plot koder for rumlig information om nano-objekter gennem bølgelængden af ​​spredningstoppen i plottet og koder deres materielle oplysninger gennem højden af ​​toppen."

Handlingen fungerer som et "fingeraftryk, "som gør det muligt for forskerne at bestemme afstanden af ​​et nederste nano-objekt, der skal registreres i forhold til den øverste nanopartikel, samt adskillelsen mellem to nano-objekter, og deres materialesammensætning.

At få adgang til nanoskalaverdenen via optik har været en af ​​de mest kraftigt forfulgte grænser inden for optik i løbet af det sidste årti. "Det traditionelle mikroskop er begrænset i opløsning af lysets bølgelængde, "sagde Huang." Og, ved hjælp af et konventionelt mikroskop, den mindste funktion, man kan løse, er omkring 250 nanometer for synligt lys - også kendt som Abbe -grænsen. "

At bevæge sig ud over denne grænse og løse mindre funktioner kræver nogle avancerede teknologier. "De fleste er billeddannelsesmetoder, med billeder, der indeholder objekter af interesse som målingen, "forklarede Huang." Men i stedet for at følge billedbehandlingstilgangen, vores arbejde demonstrerer en ny vej til at opnå rumlig og materiel information om den mikroskopiske verden gennem 'fingeraftryk' -processen. "Betydeligt, den kan løse to objekter, der kun er 20 nanometer fra hinanden - langt over Abbe -grænsen.

"Vores arbejde kan potentielt finde anvendelser inden for biomolekylær måling, "Sagde Huang." Folk er interesserede i at bestemme afstanden mellem to biomolekyler med nanoskalaadskillelse, for eksempel, som kan bruges til at studere interaktionen mellem proteiner. Og vores metode kan også bruges til overvågning af industrielle produkter for at afgøre, om nanostrukturerede dele blev fremstillet efter specifikationer. "