Superlens - Superlens

En superlens , eller super linse , er en linse som bruker metamaterialer til å gå utover diffraksjonsgrensen . Diffraksjonsgrensen er et trekk ved konvensjonelle linser og mikroskop som begrenser finheten til oppløsningen. Mange linsedesigner er blitt foreslått som på en eller annen måte overgår diffraksjonsgrensen, men begrensninger og hindringer møter hver av dem.

Historie

I 1873 rapporterte Ernst Abbe at konvensjonelle linser ikke er i stand til å fange noen fine detaljer om et gitt bilde. Superlinsen er ment å fange slike detaljer. Begrensningen av konvensjonelle linser har hemmet fremgang i de biologiske vitenskapene . Dette er fordi et virus eller DNA-molekyl ikke kan løses med de kraftigste konvensjonelle mikroskopene. Denne begrensningen strekker seg til små prosesser av cellulære proteiner som beveger seg ved siden av mikrotubuli i en levende celle i deres naturlige omgivelser. I tillegg produseres datamaskinbrikker og den sammenhengende mikroelektronikken i mindre og mindre skala. Dette krever spesialisert optisk utstyr , som også er begrenset fordi disse bruker den konvensjonelle linsen. Derfor viser prinsippene som styrer en superlinse at den har potensial for å avbilde et DNA-molekyl og cellulære proteinprosesser , eller hjelpe til med produksjonen av enda mindre datamaskinbrikker og mikroelektronikk.

Videre, konvensjonelle linser fange opp bare de forplanter lys bølger . Dette er bølger som beveger seg fra en lyskilde eller et objekt til en linse, eller det menneskelige øye. Dette kan alternativt studeres som det fjerne feltet . I motsetning til dette fanger en superlens forplantende lysbølger og bølger som holder seg på overflaten til et objekt, som alternativt kan studeres som både det fjerne feltet og det nærmeste feltet .

På begynnelsen av 1900-tallet ble begrepet "superlens" brukt av Dennis Gabor for å beskrive noe ganske annet: et sammensatt objektivsystem.

Teori

Den stereomikroskop er et konvensjonelt optisk system. Romoppløsning er begrenset av en diffraksjonsgrense som er litt over 200 nanometer .

Bildedannelse

Skjematiske avbildninger og bilder av ofte brukte metalliske nanosonder som kan brukes til å se en prøve i nanometeroppløsning. Legg merke til at tipsene til de tre nanoprobes er 100 nanometer.

Et bilde av et objekt kan defineres som en håndgripelig eller synlig representasjon av funksjonene til det objektet. Et krav for bildedannelse er samhandling med felt av elektromagnetisk stråling . Videre er nivået på funksjonsdetaljer, eller bildeoppløsningen , begrenset til en lengde av en strålingsbølge . For eksempel, med optisk mikroskopi , avhenger bildeproduksjon og oppløsning av lengden på en bølge av synlig lys . Imidlertid, med en superlens, kan denne begrensningen fjernes, og en ny bildeklasse genereres.

Elektronstrålelitografi kan overvinne denne oppløsningsgrensen . Optisk mikroskopi, derimot, kan ikke være begrenset til en verdi rett over 200 nanometer . Imidlertid begynner ny teknologi kombinert med optisk mikroskopi å tillate økt funksjonsoppløsning (se avsnittene nedenfor).

En definisjon av å være begrenset av oppløsningsbarrieren , er en oppløsning som er avskåret ved halv bølgelengde av lys . Det synlige spekteret har et område som strekker seg fra 390 nanometer til 750 nanometer. Grønt lys , halvveis i mellom, er rundt 500 nanometer. Mikroskopi tar hensyn til parametere som objektivåpning , avstand fra objektet til objektivet og brytningsindeksen til det observerte materialet. Denne kombinasjonen definerer oppløsningsgrensen, eller mikroskopisk optisk grense , som tabulerer til 200 nanometer. Derfor kaster konvensjonelle linser , som bokstavelig talt konstruerer et bilde av et objekt ved å bruke "vanlige" lysbølger, informasjon som gir veldig fine og små detaljer om gjenstanden som er inneholdt i evanescent bølger . Disse dimensjonene er mindre enn 200 nanometer. Av denne grunn, konvensjonelle optiske systemer, så som mikroskop , har vært i stand til nøyaktig bilde meget små, nanometer-størrelse strukturer eller nanometer-størrelse organismer in vivo , for eksempel individuelle virus eller DNA-molekyler .

Begrensningene for standard optisk mikroskopi ( lysfeltmikroskopi ) ligger i tre områder:

Spesielt levende biologiske celler mangler generelt tilstrekkelig kontrast til å kunne studeres med suksess, fordi cellens indre strukturer stort sett er fargeløse og gjennomsiktige. Den vanligste måten å øke kontrasten er å flekker de forskjellige strukturene med selektive fargestoffer , men ofte innebærer dette å drepe og fikse prøven. Farging kan også introdusere gjenstander , tilsynelatende strukturelle detaljer som er forårsaket av behandlingen av prøven, og er dermed ikke et legitimt trekk ved prøven.

Konvensjonell linse

DVD (digital allsidig plate). En laser brukes til dataoverføring .

Den konvensjonelle glasslinsen er gjennomgående i vårt samfunn og i vitenskapene . Det er et av de grunnleggende verktøyene til optikk bare fordi det samhandler med forskjellige lysbølgelengder. Samtidig kan lysets bølgelengde være analog med bredden på en blyant som brukes til å tegne de vanlige bildene. Grensen blir merkbar, for eksempel når laseren som brukes i et digitalt videosystem, bare kan oppdage og levere detaljer fra en DVD basert på lysets bølgelengde . Bildet kan ikke gjengis skarpere utover denne begrensningen.

Når et objekt emitterer eller reflekterer lys, er det to typer elektromagnetisk stråling assosiert med dette fenomenet . Dette er nærfeltstrålingen og fjernfeltstrålingen . Som antydet av beskrivelsen, slipper det fjerne feltet utover objektet. Den blir så enkelt fanget opp og manipulert av en konvensjonell glasslinse. Imidlertid observeres ikke nyttige oppløsningsdetaljer (nanometerstørrelse) fordi de er skjult i nærområdet. De forblir lokaliserte, holder seg mye nærmere den lysemitterende gjenstanden, klarer ikke å reise og kan ikke fanges opp av den konvensjonelle linsen. Kontrollering av nærfeltstråling for høy oppløsning kan oppnås med en ny klasse materialer som ikke lett oppnås i naturen. Disse er i motsetning til kjente faste stoffer , for eksempel krystaller , som får sine egenskaper fra atomare og molekylære enheter. Den nye materialklassen, kalt metamaterialer , får sine egenskaper fra sin kunstig større struktur. Dette har resultert i nye egenskaper, og nye responser, som muliggjør detaljer om bilder som overgår begrensningene som lysbølgen har.

Imaging av bølgelengde

"Electrocomposeur" var en elektronstråle-litografimaskin (elektronmikroskop) designet for maskeskriving. Den ble utviklet på begynnelsen av 1970-tallet og distribuert på midten av 1970-tallet

Dette har ført til ønsket om å se levende biologiske celleinteraksjoner i sanntid, naturlig miljø , og behovet for subwavelength imaging . Imaging av bølgelengde kan defineres som optisk mikroskopi med muligheten til å se detaljer om et objekt eller en organisme under bølgelengden for synlig lys (se diskusjon i avsnittene ovenfor). Med andre ord å ha evnen til å observere, i sanntid, under 200 nanometer. Optisk mikroskopi er en ikke-invasiv teknikk og teknologi fordi daglig lys er overføringsmediet . Bildebehandling under den optiske grensen i optisk mikroskopi (subbølgelengde) kan konstrueres for mobilnivå , og nanometernivå i prinsippet.

For eksempel ble det i 2007 demonstrert en teknikk der en metamateriellbasert linse kombinert med en konvensjonell optisk linse kunne manipulere synlig lys for å se ( nanoskala ) mønstre som var for små til å bli observert med et vanlig optisk mikroskop . Dette har potensielle anvendelser, ikke bare for å observere en hel levende celle , eller for å observere cellulære prosesser , for eksempel hvordan proteiner og fett beveger seg inn og ut av celler. I teknologidomenet kan det brukes til å forbedre de første trinnene i fotolitografi og nanolitografi , som er avgjørende for å produsere stadig mindre datamaskinsbrikker .

Fokusering på subbølgelengde har blitt en unik bildebehandlingsteknikk som gjør det mulig å visualisere funksjoner på det viste objektet som er mindre enn bølgelengden til fotonene som er i bruk. Et foton er den minste lysenheten. Selv om det tidligere ble ansett å være fysisk umulig, er det gjort mulig med subwavelength imaging gjennom utvikling av metamaterialer . Dette oppnås vanligvis ved å bruke et metalllag som gull eller sølv, noen atomer tykke, som fungerer som en superlens, eller ved hjelp av 1D og 2D fotoniske krystaller . Det er et subtilt samspill mellom forplantningsbølger, unnvikende bølger, nærfeltavbildning og langt feltavbildning diskutert i avsnittene nedenfor.

Tidlig undersøkelse av subbølgelengde

Metamateriale linser ( Superlens ) er i stand til å rekonstruere bilder i nanometerstørrelse ved å produsere en negativ brytningsindeks i hvert tilfelle. Dette kompenserer for raskt råtnende, forvitrende bølger . Før metamaterialer hadde mange andre teknikker blitt foreslått og til og med demonstrert for å lage superoppløsningsmikroskopi . Helt tilbake i 1928 får den irske fysikeren Edward Hutchinson Synge , æren for å ha unnfanget og utviklet ideen om hva som til slutt ville bli optisk mikroskopi i nærheten av feltet .

I 1974 ble det presentert forslag for todimensjonale fabrikasjonsteknikker. Disse forslag som kontakt avbildning for å skape et mønster i relieff, fotolitografi , elektron litografi , røntgenlitografi , eller ion- bombardement, på et egnet plant underlag. De delte teknologiske målene for metamateriallinsen og mangfoldet av litografi tar sikte på å optisk løse funksjoner som har dimensjoner som er mye mindre enn vakuumbølgelengden til det eksponerende lyset . I 1981 ble det demonstrert to forskjellige teknikker for kontaktavbildning av plane (flate) submikroskopiske metallmønstre med blått lys (400 nm ). Den ene demonstrasjonen resulterte i en bildeoppløsning på 100 nm og den andre en oppløsning på 50 til 70 nm.

Siden minst 1998 nær feltet optisk litografi er designet for å skape nanometer-skala funksjoner. Forskning på denne teknologien fortsatte da det første eksperimentelt demonstrerte metamaterialet med negativ indeks ble til i 2000-2001. Effektiviteten av elektronstrålelitografi ble også undersøkt i begynnelsen av det nye årtusenet for applikasjoner på nanometerskala. Avtrykk litografi ble vist å ha ønskelige fordeler for nanometer-skalert forskning og teknologi.

Avansert dyp UV-fotolitografi kan nå tilby en oppløsning på under 100 nm, men den minste funksjonsstørrelsen og avstanden mellom mønstrene bestemmes av lysets diffraksjonsgrense . Sine derivative teknologier som svinn nærfeltet litografi, nærfeltet forstyrrelser litografi, og faseforskyvende maske litografi ble utviklet for å overvinne diffraksjonsgrensen.

I året 2000, John Pendry foreslått å bruke en metamaterial objektivet for å få nanometer -scaled bildebehandling for å fokusere under bølgelengde av lys .

Analyse av diffraksjonsgrensen

Det opprinnelige problemet med den perfekte linsen: Den generelle utvidelsen av et EM-felt som kommer fra en kilde består av både forplantningsbølger og nærfelt- eller unnvikende bølger. Et eksempel på en 2-D linjekilde med et elektrisk felt som har S-polarisering vil ha plane bølger som består av forplantende og unnvikende komponenter, som går frem parallelt med grensesnittet. Når både de formerende og de mindre evanescerende bølgene beveger seg fremover i en retning parallelt med mediumgrensesnittet, forfaller de evanescerende bølgene i forplantningsretningen. Vanlige (positive indeks) optiske elementer kan fokusere forplantningskomponentene på nytt, men de eksponentielt forfallende inhomogene komponentene går alltid tapt, noe som fører til diffraksjonsgrensen for å fokusere på et bilde.

En superlens er en linse som er i stand til å ta imot bølgelengde , slik at forstørrelse av nærfeltstråler kan forstørres . Konvensjonelle linser har en oppløsning i størrelsesorden en bølgelengde på grunn av den såkalte diffraksjonsgrensen. Denne grensen hindrer avbildning av svært små gjenstander, for eksempel individuelle atomer, som er mye mindre enn bølgelengden til synlig lys. En superlins er i stand til å slå diffraksjonsgrensen. Et eksempel er den første linsen beskrevet av Pendry, som bruker en plate av materiale med en negativ brytningsindeks som en flat linse . I teorien vil en perfekt linse være i stand til perfekt fokus - noe som betyr at den perfekt kan reprodusere det elektromagnetiske feltet til kildeplanet på bildeplanet.

Diffraksjonsgrensen som begrensning på oppløsning

Ytelsesbegrensningen for konvensjonelle linser skyldes diffraksjonsgrensen. Etter Pendry (2000) kan diffraksjonsgrensen forstås slik. Tenk på et objekt og en linse plassert langs z-aksen slik at strålene fra objektet beveger seg i + z-retningen. Feltet som kommer fra objektet kan skrives i form av dets vinkelspektrummetode , som en superposisjon av planbølger :

hvor er en funksjon av :

Bare den positive kvadratroten tas når energien går i + z- retningen. Alle komponentene i vinkelspektret til bildet som er ekte, overføres og fokuseres på nytt av en vanlig linse. Imidlertid hvis

blir deretter imaginær, og bølgen er en unnvikende bølge , hvis amplitude forfaller når bølgen forplanter seg langs z- aksen. Dette resulterer i tap av bølgene med høy vinkelfrekvens , som inneholder informasjon om høyfrekvente (småskala) funksjoner til objektet som blir avbildet. Den høyeste oppløsningen som kan oppnås kan uttrykkes i form av bølgelengden:

En superlens overvinner grensen. En superlens av Pendry-typen har en indeks på n = −1 (ε = −1, µ = −1), og i et slikt materiale krever transport av energi i + z- retningen z- komponenten i bølgevektoren å ha motsatt skilt:

For store vinkelfrekvenser vokser den unnvikende bølgen nå , så med riktig linsetykkelse kan alle komponenter i vinkelspekteret overføres uforvrengt gjennom linsen. Det er ingen problemer med energibesparelse , da unnvikende bølger ikke bærer noen i vekstretningen: Poynting-vektoren er orientert vinkelrett på vekstretningen. For å bevege bølger inne i en perfekt linse, peker Poynting-vektoren i retning motsatt fasehastigheten.

Effekter av negativ brytningsindeks

a) Når en bølge treffer et positivt brytningsindeksmateriale fra et vakuum. b) Når en bølge treffer et negativt brytningsindeksmateriale fra et vakuum. c) Når et objekt plasseres foran et objekt med n = −1, brytes lyset fra det slik at det fokuserer en gang inne i linsen og en gang utenfor. Dette tillater bildebehandling av subwavelength.

Normalt, når en bølge passerer gjennom grensesnittet til to materialer, vises bølgen på motsatt side av normalen . Imidlertid, hvis grensesnittet er mellom et materiale med en positiv brytningsindeks og et annet materiale med en negativ brytningsindeks , vil bølgen vises på samme side av det normale. Pendrys idé om en perfekt linse er et flatt materiale der n = −1. En slik linse tillater at nærfeltstråler, som normalt forfaller på grunn av diffraksjonsgrensen, kan fokusere en gang i linsen og en gang utenfor linsen, slik at man kan ta imot bølgelengde.

Utvikling og konstruksjon

Superlens-konstruksjon ble på en gang antatt å være umulig. I 2000 hevdet Pendry at en enkel plate med venstrehendt materiale ville gjøre jobben. Den eksperimentelle realiseringen av en slik linse tok imidlertid litt mer tid, fordi det ikke er så lett å lage metamaterialer med både negativ permittivitet og permeabilitet . Faktisk eksisterer ikke noe slikt materiale naturlig, og konstruksjon av de nødvendige metamaterialene er ikke trivielt. Videre ble det vist at materialets parametere er ekstremt følsomme (indeksen må være lik -1); små avvik gjør subwavelength oppløsningen ikke observerbar. På grunn av resonanskarakteren til metamaterialer, som mange (foreslåtte) implementeringer av superlinser er avhengige av, er metamaterialer svært spredte. Den følsomme naturen til superlensene til materialparametrene fører til at superlinser basert på metamaterialer har et begrenset brukbart frekvensområde. Denne første teoretiske superlensdesignen besto av et metamateriale som kompenserte for bølgeforfall og rekonstruerer bilder i nærområdet . Både forplantende og unnvikende bølger kan bidra til oppløsningen av bildet .

Pendry foreslo også at en linse som bare hadde en negativ parameter ville danne en omtrentlig superlens, forutsatt at avstandene som er involvert også er svært små og forutsatt at kildepolarisasjonen er passende. For synlig lys er dette en nyttig erstatning, siden konstruksjon av metamaterialer med negativ permeabilitet ved frekvensen av synlig lys er vanskelig. Metaller er da et godt alternativ ettersom de har negativ permittivitet (men ikke negativ permeabilitet). Pendry foreslo å bruke sølv på grunn av det relativt lave tapet ved den forventede bølgelengden for operasjonen (356 nm). I 2003 ble Pendrys teori først demonstrert eksperimentelt ved RF / mikrobølge-frekvenser. I 2005 verifiserte to uavhengige grupper Pendrys linse på UV-området, begge med tynne lag sølv belyst med UV-lys for å produsere "fotografier" av gjenstander mindre enn bølgelengden. Negativ refraksjon av synlig lys ble eksperimentelt verifisert i et yttriumortovanadat (YVO 4 ) bicrystal i 2003.

Det ble oppdaget at et enkelt superlensdesign for mikrobølger kunne bruke en rekke parallellledende ledninger. Denne strukturen ble vist å kunne forbedre oppløsningen av MR- bildebehandling.

I 2004 ga de første superlensene med negativ brytningsindeks oppløsning tre ganger bedre enn diffraksjonsgrensen og ble demonstrert ved mikrobølgefrekvenser . I 2005, det første i nærheten felt ble superlens demonstrert av N.Fang et al. , men linsen stolte ikke på negativ brytning . I stedet ble en tynn sølvfilm brukt til å forbedre de flyktige modusene gjennom overflateplasmonkobling . Nesten samtidig lyktes Melville og Blaikie med superfelt i nærfeltet. Andre grupper fulgte etter. Det ble rapportert om to utviklinger innen superlenseforskning i 2008. I det andre tilfellet ble et metamateriale dannet av sølvnanotråder som ble avlevert elektrokjemisk i porøst aluminiumoksid. Materialet viste negativ brytning. Bildebehandlingen av slike isotrope negative dielektriske konstantlinselinser ble også analysert med hensyn til platematerialet og tykkelsen. Muligheter for avbildning av subbølgelengde med plane uniaxial anisotrope linser, der de dielektriske tensorkomponentene har motsatt tegn, har også blitt studert som en funksjon av strukturparametrene.

Superlinsene er ennå ikke demonstrert ved synlige eller nær infrarøde frekvenser (Nielsen, RB; 2010). Videre er disse som dispersive materialer begrenset til å fungere ved en enkelt bølgelengde. Foreslåtte løsninger er metall-dielektriske kompositter (MDC) og flerlags linse strukturer. Multi-lags superlens ser ut til å ha bedre subwavelength oppløsning enn enkelt lags superlens. Tap er mindre bekymringsfullt for flerlagssystemet, men så langt ser det ut til å være upraktisk på grunn av feil samsvar med impedans .

Mens utviklingen av nanofabrikasjonsteknikker fortsetter å presse grensene for fabrikasjon av nanostrukturer, forblir overflateruhet en uunngåelig kilde til bekymring i utformingen av nano-fotoniske enheter. Effekten av denne overflateruheten på de effektive dielektriske konstantene og bildebildeoppløsningen under bølgelengden til flerlags metallisolatorstabellinser er også undersøkt.

Perfekte linser

Når verden er observert gjennom konvensjonelle linser , skarpheten av bildet bestemmes av, og er begrenset til bølgelengden for lyset . Rundt år 2000 ble en plate av negativ indeksmetamateriale teoretisert for å lage en linse med evner utover konvensjonelle ( positive indeks ) linser. Pendry foreslo at en tynn plate med negativt brytningsmetamateriale kunne overvinne kjente problemer med vanlige linser for å oppnå en "perfekt" linse som ville fokusere hele spekteret, både den forplantende og den forvitrende spektra.

En sølvplate ble foreslått som metamaterialet. Mer spesifikt kan en slik sølvtynn film betraktes som en metaoverflate . Når lys beveger seg bort (forplantes) fra kilden, får det en vilkårlig fase . Gjennom en konvensjonell linse forblir fasen konsistent, men de unnvikende bølgene forfaller eksponentielt . I det flate metamaterialet DNG- plate blir normalt råtnende forflytende bølger forsterket . Når de evanescerende bølgene nå forsterkes, blir fasen reversert.

Derfor ble en type linse foreslått, bestående av metallfilmmetamateriale. Når den er opplyst nær plasmafrekvensen , kan linsen brukes til superoppløsningsavbildning som kompenserer for bølgeforfall og rekonstruerer bilder i nærfeltet . I tillegg bidrar både forplantende og unnvikende bølger til oppløsningen av bildet .

Pendry foreslo at venstrehendte plater tillater "perfekt avbildning" hvis de er helt tapsfrie, impedansavstemt , og deres brytningsindeks er -1 i forhold til det omkringliggende mediet. Teoretisk sett vil dette være et gjennombrudd ved at den optiske versjonen løser gjenstander så små som nanometer på tvers. Pendry forutsa at dobbeltnegative metamaterialer (DNG) med en brytningsindeks på n = −1 , kan fungere, i det minste i prinsippet, som en "perfekt linse" som tillater avbildningsoppløsning som ikke er begrenset av bølgelengden, men heller av materialkvalitet.

Andre studier angående den perfekte linsen

Ytterligere undersøkelser viste at Pendrys teori bak den perfekte linsen ikke var riktig. Analysen av fokuseringen av det evanescerende spekteret (ligning 13–21 i referanse) var feil. I tillegg gjelder dette bare en (teoretisk) forekomst, og det er et bestemt medium som er tapsfritt, ikke-spredende, og de innholdsparametrene er definert som:

ε (ω) / ε 0 = µ (ω) / µ 0 = −1, som igjen resulterer i en negativ brytning av n = −1

Imidlertid viste det endelige intuitive resultatet av denne teorien at både de forplantende og de evanesente bølgene er fokusert, noe som resulterte i et konvergerende fokuspunkt i platen og en annen konvergens (fokuspunkt) utenfor platen, viste seg å være riktig.

Hvis DNG- metamaterialmediet har en stor negativ indeks eller blir tapsk eller spredt , kan ikke Pendrys perfekte linseeffekt realiseres. Som et resultat eksisterer den perfekte linseeffekten generelt ikke. I følge FDTD-simuleringer på den tiden (2001) fungerer DNG-platen som en omformer fra en pulsert sylindrisk bølge til en pulsert bjelke. Videre, i virkeligheten (i praksis), må et DNG-medium være og er spredt og tapt, noe som kan ha enten ønskelige eller uønskede effekter, avhengig av forskning eller anvendelse. Derfor er Pendrys perfekte linseeffekt utilgjengelig med alt metamateriale designet for å være et DNG-medium.

En annen analyse, i 2002, av den perfekte linsen konseptet viste det å være i feil mens du bruker lossless, dispersionless DNG som emne. Denne analysen viste matematisk at finesser av unnvikende bølger, begrensning til en endelig plate og absorpsjon hadde ført til inkonsekvenser og avvik som motsier de grunnleggende matematiske egenskapene til spredte bølgefelt. For eksempel uttalte denne analysen at absorpsjon , som er knyttet til dispersjon , alltid er til stede i praksis, og absorpsjon har en tendens til å transformere forsterkede bølger til råtnende i dette mediet (DNG).

En tredje analyse av Pendrys perfekte linsekonsept, publisert i 2003, brukte den nylige demonstrasjonen av negativ brytning ved mikrobølgefrekvenser som en bekreftelse på levedyktigheten til det grunnleggende konseptet med den perfekte linsen. I tillegg ble denne demonstrasjonen antatt å være et eksperimentelt bevis for at et plan DNG-metamateriale ville omfokusere den fjerne feltstrålingen til en punktkilde . Imidlertid ville den perfekte linsen kreve betydelig andre verdier for permittivitet , permeabilitet og romlig periodisitet enn den demonstrerte negative brytningsprøven.

Denne studien er enig i at ethvert avvik fra forhold der ε = µ = -1 resulterer i det normale, konvensjonelle, ufullkomne bildet som nedbrytes eksponentielt, dvs. diffraksjonsgrensen. Den perfekte linseløsningen i fravær av tap er igjen, ikke praktisk, og kan føre til paradoksale tolkninger.

Det ble fastslått at selv om resonansoverflateplasmons er uønsket for avbildning, disse viser seg å være avgjørende for utvinning av råtnende flyktige bølger. Denne analysen oppdaget at metamateriell periodisitet har en signifikant effekt på utvinningen av typer flyktige komponenter. I tillegg er det mulig å oppnå subbølgelengdeoppløsning med dagens teknologier. Negative brytningsindekser er demonstrert i strukturerte metamaterialer. Slike materialer kan konstrueres for å ha avstemmbare materialparametere, og dermed oppnå de optimale forhold. Tap kan minimeres i strukturer som bruker superledende elementer. Videre kan hensyn til alternative strukturer føre til konfigurasjoner av venstrehåndede materialer som kan oppnå fokusering av subbølgelengde. Slike strukturer ble studert på den tiden.

En effektiv tilnærming for kompensasjon av tap i metamaterialer, kalt plasmoninjeksjonsskjema, er nylig blitt foreslått. Plasmoninjeksjonsskjemaet er teoretisk brukt på ufullkomne flate objektiver med negativ indeks med rimelige materialtap og i nærvær av støy så vel som hyperlinser. Det har blitt vist at selv ufullkomne flate objektiver med negativ indeks assistert med plasmoninjeksjonsskjema, kan muliggjøre subdiffraksjonsbilder av gjenstander som ellers ikke er mulig på grunn av tap og støy. Selv om plasmoninjeksjonsskjema opprinnelig ble konseptualisert for plasmoniske metamaterialer, er konseptet generelt og anvendelig for alle typer elektromagnetiske moduser. Hovedideen til skjemaet er den sammenhengende overstillingen av de tapsmodusene i metamaterialet med et passende strukturert eksternt hjelpefelt. Dette hjelpefeltet står for tapene i metamaterialet, og reduserer dermed effektivt tapene som signalstrålen eller objektfeltet opplever i tilfelle av en metamateriale-linse. Plasmoninjeksjonsskjemaet kan implementeres enten fysisk eller tilsvarende ved dekonvolusjon etterbehandlingsmetode. Imidlertid har den fysiske implementeringen vist seg å være mer effektiv enn dekonvolusjonen. Fysisk konstruksjon av konvolusjon og selektiv forsterkning av romlige frekvenser innenfor en smal båndbredde er nøklene til den fysiske implementeringen av plasmoninjeksjonsskjemaet. Denne ordningen for tapskompensasjon er ideell, spesielt for metamateriale linser, siden den ikke krever forsterkningsmedium, ikke-linearitet eller noen interaksjon med fononer. Eksperimentell demonstrasjon av plasmoninjeksjonsskjemaet har ennå ikke blitt vist delvis fordi teorien er ganske ny.

Nærfeltavbildning med magnetiske ledninger

Et prisme sammensatt av sveitsiske ruller med høy ytelse som oppfører seg som en magnetisk frontplate, som overfører en magnetfeltfordeling trofast fra inngangen til utgangsflaten.

Pendry teoretiske linse er utformet for å konsentrere både utbredende bølger og nærfeltet flyktige bølger. Fra permittiviteten "ε" og magnetisk permeabilitet "µ" avledes en brytningsindeks "n". Brytningsindeksen bestemmer hvordan lys er bøyd på å krysse fra ett materiale til et annet. I 2003 ble det antydet at et metamateriale konstruert med alternerende, parallelle lag av n = -1 materialer og n = + 1 materialer, ville være en mer effektiv design for en metamateriale linse . Det er et effektivt medium som består av en flerlagsstabel som viser dobbeltbrytning , n 2 = ∞, n x = 0. De effektive brytningsindeksene er deretter henholdsvis vinkelrette og parallelle .

Som en vanlig linse er z-retningen langs rullens akse . Resonansfrekvensen (w 0 ) - nær 21,3 MHz - bestemmes av konstruksjonen av rullen. Demping oppnås ved lagens iboende motstand og den tapte delen av permittivitet.

Enkelt sagt, ettersom feltmønsteret overføres fra inngangen til utgangsflaten til en plate, slik at bildeinformasjonen blir transportert over hvert lag. Dette ble eksperimentelt demonstrert. For å teste den todimensjonale avbildningsytelsen til materialet, ble en antenne konstruert av et par anti-parallelle ledninger i form av bokstaven M. Dette genererte en linje med magnetisk strømning, noe som gir et karakteristisk feltmønster for avbildning. Den ble plassert horisontalt, og materialet, bestående av 271 sveitsiske ruller innstilt på 21,5 MHz, ble plassert på toppen av det. Materialet fungerer faktisk som et bildeoverføringsapparat for magnetfeltet. Formen på antennen gjengis trofast i utgangsplanet, både i fordelingen av toppintensiteten og i "dalene" som bundet M.

En konsekvent karakteristikk av det veldig nært (evanescerende) feltet er at de elektriske og magnetiske feltene i stor grad er frakoblet. Dette muliggjør nesten uavhengig manipulering av det elektriske feltet med permittiviteten og magnetfeltet med permeabiliteten.

Videre er dette sterkt anisotropisk system . Derfor er de tverrgående (vinkelrette) komponentene i EM-feltet som utstråler materialet, det vil si bølgevektorkomponentene k x og k y , frakoblet fra den langsgående komponenten k z . Så feltmønsteret skal overføres fra inngangen til utgangsflaten til en plate uten å forringe bildinformasjonen.

Optisk superlinse med sølvmetamateriale

I 2003 en gruppe forskere viste at optiske flyktige bølger vil bli styrket som de passerte gjennom en sølvmetamaterial linse . Dette ble referert til som en diffraksjonsfri linse. Selv om et sammenhengende , høyoppløselig bilde ikke var ment, eller oppnådd, ble regenerering av det forvitrende feltet eksperimentelt demonstrert.

I 2003 var det kjent i flere tiår at unnvikende bølger kunne forbedres ved å produsere spente tilstander på grensesnittflatene . Imidlertid ble bruken av overflateplasmoner for å rekonstruere flyktige komponenter ikke prøvd før Pendrys ferske forslag (se " Perfekt linse " ovenfor). Ved å studere filmer av varierende tykkelse har det blitt bemerket at en raskt voksende overføringskoeffisient oppstår, under passende forhold. Denne demonstrasjonen ga direkte bevis for at grunnlaget for superlensing er solid, og foreslo banen som vil muliggjøre observasjon av superlensing ved optiske bølgelengder.

I 2005 ble en sammenhengende , med høy oppløsning, bilde ble produsert (basert på resultatene fra 2003). En tynnere sølvplate (35 nm) var bedre for subdiffraksjonsbegrenset avbildning , noe som resulterer i en sjettedel av belysningsbølgelengden. Denne typen linser ble brukt til å kompensere for bølgeforfall og rekonstruere bilder i nærområdet . Tidligere forsøk på å lage en fungerende superlens brukte en plate av sølv som var for tykk.

Objekter ble avbildet så små som 40 nm på tvers. I 2005 var oppløsningsgrensen for optiske mikroskoper omtrent en tidel av diameteren til en rød blodcelle . Med sølv superlens resulterer dette i en oppløsning på en hundredel av diameteren til en rød blodcelle.

Konvensjonelle linser, enten de er menneskeskapte eller naturlige, skaper bilder ved å fange de formerende lysbølgene som alle gjenstander sender ut og deretter bøye dem. Vinkelen på bøyningen bestemmes av brytningsindeksen og har alltid vært positiv til fabrikasjonen av kunstige negative indeksmaterialer. Objekter avgir også unnvikende bølger som bærer detaljer om objektet, men er ikke tilgjengelige med konvensjonell optikk. Slike unødvendige bølger forfaller eksponentielt og blir dermed aldri en del av bildeoppløsningen, en optisk terskel kjent som diffraksjonsgrensen. Å bryte denne diffraksjonsgrensen og fange unnvikende bølger er avgjørende for opprettelsen av en 100 prosent perfekt representasjon av et objekt.

I tillegg har konvensjonelle optiske materialer en diffraksjonsgrense fordi bare forplantningskomponentene overføres (av det optiske materialet) fra en lyskilde . De ikke-forplantende komponentene, de unnvikende bølgene, overføres ikke. Videre er linser som forbedrer bildeoppløsningen ved å øke brytningsindeksen begrenset av tilgjengeligheten av høyindeksmaterialer, og punktvis punktavbildning av subbølgelengde av elektronmikroskopi har også begrensninger sammenlignet med potensialet til en fungerende superlens. Skannende elektron- og atomkraftmikroskop brukes nå til å fange detaljer ned til noen få nanometer. Imidlertid skaper slike mikroskoper bilder ved å skanne objekter punkt for punkt, noe som betyr at de vanligvis er begrenset til ikke-levende prøver, og opptakstider for bilder kan ta opptil flere minutter.

Med nåværende optiske mikroskoper kan forskere bare finne ut relativt store strukturer i en celle, slik som kjernen og mitokondriene. Med en superlens kunne optiske mikroskoper en dag avsløre bevegelsene til individuelle proteiner som beveger seg langs mikrorørene som utgjør skjelettet til en celle, sa forskerne. Optiske mikroskoper kan fange en hel ramme med et enkelt øyeblikksbilde på en brøkdel av et sekund. Med superlinser åpner dette nanoskala for levende materialer, noe som kan hjelpe biologer bedre å forstå cellestruktur og funksjon i sanntid.

Fremskritt med magnetisk kobling i THz og infrarødt regime ga realisering av en mulig metamateriale superlens. Imidlertid kobles de elektriske og magnetiske responsene i nærområdet fra. Derfor, for tverrmagnetiske (TM) bølger, måtte bare permittiviteten vurderes. Edle metaller blir da naturlige valg for superlensing fordi negativ permittivitet lett oppnås.

Ved å utforme den tynne metallplaten slik at overflatestrømssvingningene ( overflateplasmonene ) samsvarer med de glansbølgene fra objektet, er superlinsene i stand til å forbedre feltamplituden vesentlig. Superlensering er resultat av forbedring av flyktige bølger av overflateplasmoner.

Nøkkelen til superlensene er dens evne til å forbedre og gjenopprette de flyktige bølgene som bærer informasjon i svært små skalaer. Dette muliggjør avbildning godt under diffraksjonsgrensen. Ingen linse er ennå i stand til å rekonstruere alle de flyktige bølgene som sendes ut av et objekt, så målet om et 100 prosent perfekt bilde vil vedvare. Imidlertid tror mange forskere at en ekte perfekt linse ikke er mulig fordi det alltid vil være noe tap av energiabsorpsjon når bølgene passerer gjennom noe kjent materiale. Til sammenligning er superlensbildet vesentlig bedre enn det som ble opprettet uten sølv superlens.

50 nm flatt sølvlag

I februar 2004 oppnådde et elektromagnetisk strålingsfokuseringssystem , basert på en metamaterialeplate med negativ indeks , avbildning av subwavelength i mikrobølgeovnsdomenet . Dette viste at skaffe adskilte bilder på mye mindre enn bølgelengden av lyset er mulig. Også, i 2004, et sølvlag ble anvendt for sub- mikrometer nærfeltet avbildning. Superhøy oppløsning ble ikke oppnådd, men dette var ment. Sølvlaget var for tykt til å tillate betydelig forbedring av sviktende feltkomponenter.

Tidlig i 2005 ble funksjonsoppløsningen oppnådd med et annet sølvlag. Selv om dette ikke var et faktisk bilde, var det ment. Tett funksjonsoppløsning ned til 250 nm ble produsert i en 50 nm tykk fotoresist ved bruk av belysning fra en kvikksølvlampe . Ved å bruke simuleringer ( FDTD ) bemerket studien at forbedringsoppløsninger kan forventes for bildebehandling gjennom sølvlinser, snarere enn en annen metode for nærfeltavbildning.

Basert på denne tidligere forskningen ble superoppløsning oppnådd ved optiske frekvenser ved bruk av et 50 nm flatt sølvlag. Evnen til å løse et bilde utover diffraksjonsgrensen, for langt feltavbildning , er her definert som superoppløsning.

Bildekvaliteten er mye bedre enn tidligere resultater av den forrige eksperimentelle linsestakken. Bildebehandling av sub-mikrometer-funksjoner er forbedret kraftig ved å bruke tynnere sølv- og avstandslag, og ved å redusere overflateruheten til linsestakken. Sølvlinsens evne til å avbilde ristene har blitt brukt som den ultimate oppløsningstesten, da det er en konkret grense for en konvensjonell (langt felt) linse til å avbilde et periodisk objekt - i dette tilfellet er bildet en diffraksjon gitter. For normal forekomstbelysning er den minste romlige perioden som kan løses med bølgelengde λ gjennom et medium med brytningsindeks n λ / n. Det vil derfor forventes null kontrast i ethvert (konvensjonelt) langt feltbilde under denne grensen, uansett hvor god bildemotstanden kan være.

(Super) linsestakken her resulterer i et beregningsresultat av en diffraksjonsbegrenset oppløsning på 243 nm. Gitter med perioder fra 500 nm ned til 170 nm blir avbildet, med dybden av modulasjonen i motstanden redusert når gitterperioden reduseres. Alle ristene med perioder over diffraksjonsgrensen (243 nm) er godt løst. De viktigste resultatene av dette eksperimentet er super-avbildning av sub-diffraksjon grensen for 200 nm og 170 nm perioder. I begge tilfeller er gitterene løst, selv om kontrasten er redusert, men dette gir eksperimentell bekreftelse av Pendrys superlenseforslag.

For mer informasjon se Fresnel-nummer og Fresnel-diffraksjon

Negativ indeks GRIN-objektiver

Gradient Index (GRIN) - Det større spekteret av materialrespons tilgjengelig i metamaterialer bør føre til forbedret GRIN-objektivdesign. Spesielt, siden permittiviteten og permeabiliteten til et metamateriale kan justeres uavhengig, kan metamateriale GRIN-linser antagelig være bedre tilpasset ledig plass. GRIN-linsen er konstruert ved å bruke en plate av NIM med en variabel brytningsindeks i y-retningen, vinkelrett på forplantningsretningen z.

Fjernfelt superlens

I 2005 foreslo en gruppe en teoretisk måte å overvinne nærfeltbegrensningen på ved hjelp av en ny enhet kalt langt-felt-superlens (FSL), som er en riktig designet periodisk bølgepapp-baserte superlens.

Imaging ble eksperimentelt demonstrert i det fjerne feltet, og tok neste steg etter nærfelteksperimenter. Nøkkelelementet blir betegnet som et langt felt superlens (FSL) som består av en konvensjonell superlens og en nanoskala kobler.

Fokuserer utenfor diffraksjonsgrensen med reversering av langt felt

En tilnærming presenteres for fokusering av subbølgelengde av mikrobølger ved å bruke både et tidsreversjons speil plassert i det fjerne feltet og en tilfeldig fordeling av spredere plassert i nærfeltet av fokuspunktet.

Hyperlens

Når muligheten for nærfotografering var demonstrert, var neste trinn å projisere et nærfeltbilde inn i det fjerne feltet. Dette konseptet, inkludert teknikk og materialer, kalles "hyperlens".,

I mai 2012 viste beregninger at en ultrafiolett (1200-1400 THz) hyperlens kan opprettes ved hjelp av vekslende lag av bornitrid og grafen .

I februar 2018, en midt i det infrarøde ble (~ 5-25μm) hyperlens innført laget av et variabelt dopet indium arsenid flerlags, som tilbys drastisk lavere tap.

Evnen til metamaterial-hyperlens for sub-diffraksjon-begrenset avbildning er vist nedenfor.

Sub-diffraksjon avbildning i det fjerne feltet

Med konvensjonelle optiske linser er det fjerne feltet en grense som er for fjernt til at flyktige bølger kan komme intakte. Når du tar bilder av et objekt, begrenser dette den optiske oppløsningen til linser til rekkefølgen på lysets bølgelengde . Disse ikke-forplantende bølgene bærer detaljert informasjon i form av høy romlig oppløsning , og overvinner begrensninger. Derfor krever projiserende bildedetaljer, vanligvis begrenset av diffraksjon inn i det fjerne feltet, utvinning av de flyktige bølgene.

I det vesentlige var trinn som ledet opp til denne undersøkelsen og demonstrasjonen, bruk av et anisotropisk metamateriale med en hyperbolsk spredning. Effekten var slik at vanlige unødvendige bølger forplanter seg langs den radiale retningen av det lagdelte metamaterialet. På et mikroskopisk nivå forplantes de store romlige frekvensbølgene gjennom koblede overflateplasmon-eksitasjoner mellom metallagene.

I 2007 ble akkurat et slikt anisotropisk metamateriale brukt som forstørrende optisk hyperlens. Hyperlinsene besto av en buet periodisk bunke med tynt sølv og aluminiumoksyd (med en tykkelse på 35 nanometer) avsatt på et halvsylindrisk hulrom og fremstilt på et kvartssubstrat. De radiale og tangentielle permittivitetene har forskjellige tegn.

Ved belysning kommer det spredte evanescerende feltet fra objektet inn i det anisotropiske mediet og forplanter seg langs radial retning. Kombinert med en annen effekt av metamaterialet, oppstår et forstørret bilde ved den ytre diffraksjonsgrense for hyperlensene. Når den forstørrede funksjonen er større enn (utenfor) diffraksjonsgrensen, kan den avbildes med et konvensjonelt optisk mikroskop , og viser således forstørrelse og projeksjon av et subdiffraksjonsbegrenset bilde inn i det fjerne feltet.

Hyperlensene forstørrer objektet ved å transformere de spredte flyktige bølgene til forplantningsbølger i det anisotropiske mediet, og projisere et romlig oppløsningsbilde med høy oppløsning i det fjerne feltet. Denne typen metamateriale-basert linse, sammenkoblet med en konvensjonell optisk linse, kan derfor avsløre mønstre som er for små til å kunne skelnes med et vanlig optisk mikroskop. I ett eksperiment klarte linsen å skille to 35-nanometerlinjer etset med 150 nanometer fra hverandre. Uten metamaterialene viste mikroskopet bare en tykk linje.

I et kontrolleksperiment ble linjeparobjektet avbildet uten hyperlensene. Linjeparet kunne ikke løses på grunn av at diffraksjonsgrensen for den (optiske) blenderåpningen var begrenset til 260 nm. Fordi hyperlensene støtter forplantning av et veldig bredt spekter av bølgevektorer, kan det forstørre vilkårlige objekter med subdiffraksjonsbegrenset oppløsning.

Selv om dette arbeidet ser ut til å være begrenset av bare å være en sylindrisk hyperlens, er neste trinn å designe en sfærisk linse. Denne linsen vil vise tredimensjonal evne. Nærfeltoptisk mikroskopi bruker et tips for å skanne et objekt. I motsetning til dette forstørrer denne optiske hyperlinsen et bilde som er subdiffraksjonsbegrenset. Det forstørrede underdiffraksjonsbildet projiseres deretter inn i det fjerne feltet.

De optiske hyperlensene viser et bemerkelsesverdig potensial for applikasjoner, som sanntids biomolekylær bildebehandling og nanolitografi. En slik linse kan brukes til å se på cellulære prosesser som det har vært umulig å se. Omvendt kan det brukes til å projisere et bilde med ekstremt fine funksjoner på en fotoresist som et første trinn i fotolitografi, en prosess som brukes til å lage datamaskinbrikker. Hyperlensene har også applikasjoner for DVD-teknologi.

I 2010 ble en sfærisk hyperlens for todimensjonal avbildning ved synlige frekvenser demonstrert eksperimentelt. De sfæriske hyperlensene var basert på sølv og titanoksyd i vekslende lag og hadde sterk anisotrop hyperbolsk dispersjon som tillot superoppløsning med synlig spektrum. Oppløsningen var 160 nm i det synlige spekteret. Det vil muliggjøre biologisk avbildning på celle- og DNA-nivå, med en sterk fordel ved å forstørre oppløsningen til subdiffraksjon til fjernt felt.

Plasmon-assistert mikroskopi

Se optisk mikroskop for skanning nær felt .

Super-imaging i det synlige frekvensområdet

I 2007 demonstrerte forskere superavbildning ved hjelp av materialer som skaper negativ brytningsindeks, og linsing oppnås i det synlige området.

Det er behov for kontinuerlige forbedringer i optisk mikroskopi for å holde tritt med fremdriften innen nanoteknologi og mikrobiologi . Fremgang i romlig oppløsning er nøkkelen. Konvensjonell optisk mikroskopi er begrenset av en diffraksjonsgrense som er i størrelsesorden 200 nanometer (bølgelengde). Dette betyr at virus , proteiner , DNA- molekyler og mange andre prøver er vanskelig å observere med et vanlig (optisk) mikroskop. Linsen som tidligere ble demonstrert med negativt brytningsindeksmateriale , en tynn, plan superlens, gir ikke forstørrelse utover diffraksjonsgrensen for konvensjonelle mikroskop. Derfor vil bilder som er mindre enn den konvensjonelle diffraksjonsgrensen fortsatt være utilgjengelige.

En annen tilnærming som oppnår superoppløsning ved synlig bølgelengde, er nylig utviklet sfæriske hyperlens basert på alternerende lag av sølv og titanoksid. Den har sterk anisotropisk hyperbolsk spredning som tillater superoppløsning ved å konvertere evanescerende bølger til forplantningsbølger. Denne metoden er ikke-fluorescensbasert superoppløsningsavbildning, noe som resulterer i sanntidsavbildning uten rekonstruksjon av bilder og informasjon.

Superoppløsnings teknikker for fjernfeltmikroskopi

Innen 2008 har diffraksjonsgrensen blitt overgått og laterale bildebehandlingsoppløsninger på 20 til 50 nm har blitt oppnådd ved hjelp av flere "superoppløsninger" fjernfeltmikroskopiteknikker, inkludert stimulert utslippsutarmning (STED) og dens relaterte RESOLFT (reversibel mettbar optisk lineær fluorescerende overganger) mikroskopi; mettet strukturert belysningsmikroskopi (SSIM); stokastisk optisk rekonstruksjonsmikroskopi (STORM); fotoaktivert lokaliseringsmikroskopi (PALM); og andre metoder som bruker lignende prinsipper.

Sylindriske superlinser via koordinatransformasjon

Dette begynte med et forslag fra Pendry, i 2003. Forstørrelse av bildet krevde et nytt designkonsept der overflaten på den negativt brytende linsen er buet. En sylinder berører en annen sylinder, noe som resulterer i en buet sylindrisk linse som gjengir innholdet i den mindre sylinderen i forstørret men uforvrengt form utenfor den større sylinderen. Koordinatransformasjoner er nødvendige for å kurve den originale perfekte linsen inn i den sylindriske linsestrukturen.

Dette ble etterfulgt av et 36-siders konseptuelt og matematisk bevis i 2005 på at de sylindriske superlinsene fungerer i det kvasistatiske regimet . Debatten om den perfekte linse diskuteres først.

I 2007 var det igjen superlinser som benyttet koordinatransformasjon. I tillegg til bildeoverføring ble andre nyttige operasjoner diskutert; oversettelse, rotasjon, speiling og inversjon samt superlens-effekten. Videre er det beskrevet elementer som utfører forstørrelse, som er fri for geometriske avvik, både på inngangs- og utgangssiden mens de benytter ledig plasskilde (i stedet for bølgeleder). Disse forstørrelseselementene fungerer også i nær og fjernt felt, og overfører bildet fra nær felt til langt felt.

De sylindriske forstørrelseslinsene ble eksperimentelt demonstrert i 2007 av to grupper, Liu et al. og Smolyaninov et al.

Nano-optikk med metamaterialer

Nanohole array som en linse

Arbeidet i 2007 demonstrerte at et kvasi-periodisk utvalg av nanohull i en metallskjerm var i stand til å fokusere den optiske energien til en plan bølge for å danne subwavelength spots (hot spots). Avstandene for flekkene var noen titalls bølgelengder på den andre siden av matrisen, eller med andre ord motsatt siden av den innfallende planbølgen . Den kvasi-periodisk mønster av nanoholes fungerte som en lys konsentrator.

I juni 2008 ble dette fulgt av demonstrert evne til en rekke kvasi-krystall nanohull i en metallskjerm. Mer enn å konsentrere hot spots, vises et bilde av punktkilden noen titalls bølgelengder fra matrisen, på den andre siden av matrisen (bildeplanet). Også denne typen matriser utviste en 1 til 1 lineær forskyvning, - fra plasseringen av punktkilden til dens respektive, parallelle plassering på bildeplanet. Med andre ord, fra x til x + δx. For eksempel ble andre punktkilder fortrengt fra x 'til x' + δx ', fra x ^ til x ^ + δx ^, og fra x ^^ til x ^^ + δx ^^, og så videre. I stedet for å fungere som en lyskonsentrator, utfører dette funksjonen til konvensjonell linsebehandling med en 1 til 1 korrespondanse, om enn med en punktkilde.

Imidlertid kan oppløsning av mer kompliserte strukturer oppnås som konstruksjoner av flere punktkilder. De fine detaljene og det lysere bildet som normalt er knyttet til de høye numeriske blenderåpningene til konvensjonelle linser, kan produseres pålitelig. Merkbare applikasjoner for denne teknologien oppstår når konvensjonell optikk ikke er egnet for oppgaven. For eksempel er denne teknologien bedre egnet for røntgenbilder , eller nano-optiske kretser, og så videre.

Nanolener

I 2010 ble en nanotråd array prototype, beskrevet som en tredimensjonal (3D) metamateriale- nanolens, bestående av bulk nanotråder avsatt i et dielektrisk substrat, fabrikert og testet.

Metamaterialet nanolens ble konstruert av millioner av nanotråder med en diameter på 20 nanometer. Disse ble nøyaktig justert og en pakket konfigurasjon ble brukt. Linsen er i stand til å skildre et klart, høyoppløselig bilde av gjenstander i nanostørrelse fordi den bruker både normal forplantende EM-stråling og unnvikende bølger for å konstruere bildet. Superoppløsningsbildebehandling ble demonstrert over en avstand på 6 ganger bølgelengden (λ), i det fjerne feltet, med en oppløsning på minst λ / 4. Dette er en betydelig forbedring i forhold til tidligere forskning og demonstrasjon av andre nærfelt- og fjernfeltbilder, inkludert nanohull-arrays diskutert nedenfor.

Lysoverføringsegenskaper for hullete metallfilmer

2009-12. Lysoverføringsegenskapene til hullformede metallfilmer i metamaterialgrensen, hvor enhetslengden til de periodiske strukturene er mye mindre enn driftsbølgelengden, blir teoretisk analysert.

Transport av et bilde gjennom et hull i underbølgelengden

Teoretisk ser det ut til å være mulig å transportere et komplekst elektromagnetisk bilde gjennom et lite hull med subbølgelengde med en diameter som er betydelig mindre enn bildets diameter, uten å miste detaljene for subbølgelengden.

Nanopartikkelavbildning - kvanteprikker

Når man observerer de komplekse prosessene i en levende celle, er det lett å overse viktige prosesser (endringer) eller detaljer. Dette kan lettere oppstå når du ser på endringer som det tar lang tid å utfolde seg og krever avbildning med høy romlig oppløsning. Imidlertid tilbyr nyere forskning en løsning for å undersøke aktiviteter som skjer over timer eller til og med dager inne i celler, og potensielt løse mange av mysteriene knyttet til molekylær skala hendelser som forekommer i disse små organismer.

Et felles forskerteam, som arbeider ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), har oppdaget en metode for å bruke nanopartikler for å belyse det cellulære interiøret for å avsløre disse langsomme prosessene. Nanopartikler, tusenvis av ganger mindre enn en celle, har en rekke bruksområder. En type nanopartikkel kalt en kvantepunkt lyser når den utsettes for lys. Disse halvlederpartiklene kan belegges med organiske materialer, som er skreddersydd for å tiltrekkes av spesifikke proteiner i den delen av en celle som en forsker ønsker å undersøke.

Spesielt varer kvanteprikker lenger enn mange organiske fargestoffer og fluorescerende proteiner som tidligere ble brukt til å belyse det indre av celler. De har også fordelen av å overvåke endringer i cellulære prosesser, mens de fleste teknikker med høy oppløsning som elektronmikroskopi bare gir bilder av cellulære prosesser som er frosset i ett øyeblikk. Ved hjelp av kvanteprikker er cellulære prosesser som involverer dynamiske bevegelser av proteiner, observerbare (belyst).

Forskningen fokuserte primært på å karakterisere kvantepunktegenskaper, kontrasterer dem med andre bildebehandlingsteknikker. I ett eksempel ble kvanteprikker designet for å målrette mot en bestemt type humant rødt blodcelleprotein som utgjør en del av en nettverksstruktur i cellens indre membran. Når disse proteinene samles i en sunn celle, gir nettverket mekanisk fleksibilitet til cellen slik at den kan presses gjennom trange kapillærer og andre trange rom. Men når cellen blir smittet med malariaparasitten, endres strukturen i nettverksproteinet.

Fordi klyngemekanismen ikke er godt forstått, ble det besluttet å undersøke den med kvantepunktene. Hvis en teknikk kunne utvikles for å visualisere klyngen, kunne fremdriften av en malariainfeksjon forstås, som har flere forskjellige utviklingsstadier.

Forskningsinnsats avslørte at når membranproteinene samler seg, blir kvanteprikkene som er festet til dem, indusert til å samle seg og gløder lysere, slik at sanntidsobservasjon når klyngen av proteiner utvikler seg. Mer bredt oppdaget forskningen at når kvanteprikker fester seg til andre nanomaterialer, endres prikkenes optiske egenskaper på unike måter i hvert tilfelle. Videre ble det oppdaget bevis for at kvantepunktoptiske egenskaper endres når miljøet i nanoskala endres, noe som gir større mulighet for å bruke kvantepunkter for å fornemme det lokale biokjemiske miljøet i cellene.

Noen bekymringer forblir over toksisitet og andre egenskaper. Imidlertid indikerer de samlede funnene at kvantepunkter kan være et verdifullt verktøy for å undersøke dynamiske mobilprosesser.

Sammendraget fra den relaterte publiserte forskningsartikelen sier (delvis): Resultatene presenteres angående de dynamiske fluorescensegenskapene til biokonjugerte nanokrystaller eller kvantepunkter (QD) i forskjellige kjemiske og fysiske miljøer. En rekke QD-prøver ble utarbeidet og sammenlignet: isolerte individuelle QD-er, QD-aggregater og QD-er konjugert til andre materialer i nanoskala ...

Se også

Referanser

 Denne artikkelen inneholder  materiale fra offentlig domene fra National Institute of Standards and Technology nettsted https://www.nist.gov .

Eksterne linker