Ny opdagelse fremskynder optisk mikroskopi

Ny Illinois ECE -forskning fremmer området optisk mikroskopi, at give feltet et nyt kritisk værktøj til at løse udfordrende problemer på tværs af mange videnskabelige og tekniske områder, herunder inspektion af halvlederplader, nanopartikel sensing, materiel karakterisering, biosensering, virustælling, og mikrofluid overvågning.

Spørgsmålet bliver ofte stillet, "Hvorfor kan vi ikke se eller fornemme nanoskalaobjekter under et lysmikroskop?" Lærebogens svar er, at deres relative signaler er svage, og deres adskillelse er mindre end Abbes resolutionsgrænse.

Imidlertid, Illinois ECE -forskerholdet, ledet af Illinois ECE -professor Lynford L Goddard, sammen med postdoc Jinlong Zhu, og ph.d. studerende Aditi Udupa, udfordrer disse grundstensprincipper med en helt ny optisk ramme.

Deres arbejde, udgivet i Naturkommunikation åbner nye døre til brug af optisk mikroskopi til at løse vanskelige problemer, der påvirker vores daglige liv.

"Vores arbejde er vigtigt, ikke kun fordi det fremmer videnskabelig forståelse af optisk billeddannelse, men også fordi det gør det muligt for forskere direkte at visualisere umærkede objekter, der har dybe sub-bølgelængdeseparationer. Vi kan se nanoskala struktur uden at udføre noget billede efterbehandling," sagde Goddard.

Teamets gennembrud begyndte i maj 2018, da Zhu og Goddard faldt over et bemærkelsesværdigt resultat i en af ​​deres simuleringer. "Dengang, vi var i gang med en teoretisk undersøgelse af inspektion af skivefejl og havde brug for at bygge et simuleringsværktøj til at modellere, hvordan lys formerer sig gennem et mikroskopsystem. Da vi så simuleringsresultatet for en af ​​konfigurationerne, vi var ret forvirrede over det, "Goddard husker." Vi arbejdede dag og nat i de næste tre måneder med at forstå fysikken bag. Når vi udviklede et lukket formanalytisk udtryk, der forklarede, hvad der foregik, vi kunne udtænke et eksperiment for at teste vores hypoteser. "

Imidlertid, det ville tage yderligere fem måneders forsøg og fejl at lære at bygge og justere det optiske system, så den eksperimentelle konfiguration replikerede modelantagelserne. I mellemtiden, Udupa fremstillede egnede testprøver på både Holonyak Micro- og Nanotechnology Laboratory og Materials Research Laboratory med bistand fra Dr. Edmond Chow og Dr. Tao Shang. I januar 2019, teamet indså endelig de nødvendige eksperimentelle forhold og visualiserede direkte deres første sæt dybe sub-bølgelængdeobjekter.

"Brug af et standard optisk mikroskop til at visualisere nanometriske objekter er ekstremt udfordrende ikke kun på grund af diffraktionsbarrieren, men også det svage signal, "sagde Zhu." Vores eksperiment skulle bruge to nye og interessante fysiske begreber, antisymmetrisk excitation og ikke-resonansforstærkning, for at øge signal-støj-forholdet mellem nanoskalaobjekterne. "

Holdet demonstrerede, at teknikken kan fornemme både fri form og fast form nanoskalaobjekter på tværs af et bredt synsfelt (726 μm × 582 μm) ved hjælp af et lavt numerisk blændeobjekt (0,4 NA). Zhu forklarer, "Vi var ganske heldige, at nogle af nanotråde på vores testprøve vist ovenfor havde fabrikationsfejl. Dette gav os mulighed for at demonstrere visualisering af sub-20 nm defekter i en halvlederchip. I fremtiden vil man kan også anvende vores metode til visualisering af biologiske objekter (f.eks. vira eller molekylklynger) ved at vælge nanotråde med optimeret geometri og korrekt brydningsindeks og mønstre af funktionelle grupper omkring nanotråde. Når målanalyser er fanget, de fungerer som objekter, der kan visualiseres direkte fra de optiske billeder. "