Forskere udvikler en optisk lineal, der kan måle ned til nanoskalaen

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet en ny måde at måle afstande på nanoskala - en nanometer er en milliardtedel af en meter - ved hjælp af lys.

Enheder, der bruger lys til at se genstande, såsom mikroskoper, har en grundlæggende begrænsning baseret på fysikkens love, som er deres løsningskraft.

Den mindste afstand, som optiske enheder pålideligt kan afbilde, er lig med halvdelen af ​​bølgelængden af ​​det anvendte lys, kendt som "diffraktionsgrænsen".

Diffraktionsgrænsen er derfor over 400 nanometer, omkring halvdelen af ​​bølgelængden af ​​nær infrarødt lys. Dette er omkring 250 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår (100 mikron).

Men da forskere er interesserede i at observere ekstremt små objekter som vira og nanopartikler, der varierer i størrelse fra 10 til 100 nanometer, en optisk opløsning på 400 nanometer er utilstrækkelig.

I øjeblikket, målinger i nanometerskala udføres ved hjælp af indirekte eller ikke-optiske metoder, såsom scanningselektronmikroskopi, som ikke altid er gennemførlige, kan være tidskrævende og kræve dyrt udstyr at betjene.

Imidlertid, en opdagelse offentliggjort i tidsskriftet Videnskab af professor Nikolay Zheludev og Dr. Guanghui Yuan ved NTU's School of Physical &Mathematical Sciences beskriver en ny optisk metode, der kan måle forskydninger af en nanometer - den mindste afstand, der nogensinde er målt direkte, ved hjælp af nær infrarødt lys.

Deres teoretiske beregninger indikerer, at enheder baseret på denne metode i sidste ende kunne måle afstande ned til 1/4000 af lysets bølgelængde, til nogenlunde størrelsen af ​​et enkelt atom.

Deres præstation blev opnået ved hjælp af en 100 nanometer tyk guldfilm med over 10, 000 bittesmå spalter skåret ind i det for at diffraktere laserlys og for at udnytte et optisk fænomen kendt som "superoscillation".

Begrebet superoscillation opstod først i 1980'erne fra Yakir Aharonovs kvantefysiske forskning, en israelsk fysiker, og blev efterfølgende udvidet til optik og andre områder af den britiske fysiker Michael Berry. Superoscillation opstår, når en "underbølgelængde" i en lysbølge svinger hurtigere end selve lysbølgen.

Hvordan det virker

"Vores enhed er konceptuelt meget enkel, " siger Dr. Yuan, en postdoc ved Center for Disruptive Photonic Technologies (CDPT), et center under The Photonics Institute ved NTU Singapore. "Det, der får det til at fungere, er det præcise mønster, som slidserne er arrangeret i. Der er to typer slidser i mønsteret, orienteret vinkelret på hinanden. Når polariseret laserlys rammer guldfilmen, det skaber et interferensmønster, der indeholder ekstremt små funktioner, meget mindre end lysets bølgelængde."

Efter dette spredes polariserede lys fra Zheludev og Yuans enhed, den producerer to krydspolariserede stråler:den ene et superoscillerende "interferensmønster" indeholdende hurtig fasevariation og den anden en referencebølge til at detektere fasen af ​​det superoscillerende felt.

Fra fasen, det er muligt at beregne superoscillationens gradient, eller "lokal bølgevektor, " som har en ekstremt smal bredde (400 gange smallere end diffraktionsgrænsen) og dermed kan bruges som en optisk lineal med høj opløsning.

En forhindring, som NTU-forskerne skulle overvinde, var, at disse mindste superoscillationer ikke optræder i lysbølgens amplitude, men i sin fase. For at kortlægge lysfeltets fase, forskerne skulle udtænke en speciel teknik, der kunne sammenligne intensiteterne produceret af forskellige polarisationstilstande af laserlys.

"Denne fasefølsomme teknik er en væsentlig forbedring i forhold til tidligere forsøg på at bruge superoscillation til optisk måling, " sagde professor Zheludev, Meddirektør for NTU's The Photonics Institute.

"Tidligere metoder, udviklet af os såvel som andre, brugt en klasse af superoscillationer, der svarer til lokaliserede 'hot spots' i intensitet. Fordelen ved hot spots er, at de er nemme at opdage. Men hvis målet er at måle de kortest mulige afstande, fase superoscillationer er meget mere velegnede, på grund af deres mindre størrelse."

Fremtidige ansøgninger

Professor Zheludev, der også fungerer som meddirektør for Optoelectronics Research Center ved Southampton University i Storbritannien, sagde, at deres opdagelse sandsynligvis ville finde anvendelse i industrien:

"Denne metode til optisk måling vil være meget nyttig i fremtiden, såsom i fremstilling og kvalitetskontrol af elektronik, hvor der kræves ekstremt præcise optiske målinger, og at overvåge integriteten af ​​nano-enheder selv."

Bevæger sig fremad, holdet sigter mod at udvikle en kompakt version af deres apparat ved hjælp af optiske fibre og at kommercialisere teknologien som en ny type ultra-præcis optisk lineal, hvilket ville være gavnligt for avancerede fremstillingsprocesser, som halvlederfabrikation og optoelektroniske enheder, som er rygraden i telekommunikationsindustrien.