Разработка  международной группы ученых, статья о ней опубликована в журнале Nanoscale , будет способствовать развитию высокоразрешающих оптических методов, которые  открывают уникальные возможности для проведения исследований в области материаловедения, биологии и медицины. Сегодня эти технологии достигают пространственного разрешения, сопоставимого с разрешением электронной микроскопии.

«Главным преимуществом оптической микроскопии является неразрушающая химическая диагностика одиночных молекул при использовании непрерывного лазерного света малой интенсивности, – отмечает руководитель лаборатории «Нанооптика» Института физики Казанского федерального университета, доктор физико-математических  наук Сергей Харинцев. – В отличие от электронной микроскопии появляется возможность 3D-визуализации и спектрального анализа внутренней структуры нанообъектов, а также изучения процессов, протекающих в живой клетке».

Существующие сегодня оптические методы сверхвысокого разрешения, позволяющие преодолеть дифракционный предел (он примерно равен l/2, где l – длина волны света), можно условно разделить, отмечает ученый, на два класса: 1) зондовые оптические методы (TERS – локально-усиленная спектроскопия комбинационного рассеяния света, SNOM – ближнеполевая оптическая микроскопия, nano-IR – спектроскопия локального поглощения света) и 2) методы флюоресцентной микроскопии (SIM – микроскопия структурированного освещения, STED – микроскопия на основе тушения вынужденным излучением, PALM – фотоактивируемая локализационная микроcкопия и STORM – микроскопия стохастической оптической реконструкции). Первый класс активно используется для изучения объектов неживой природы – одиночных молекул, квантовых точек, квантовых нитей и т.д.  В этих технологиях используется оптическая наноантенна, которая позволяет локализовать падающий свет до нескольких долей нанометра. Оптическое сверхразрешение l/1000 (меньше 1 нм!) достигается благодаря локализации света и сканированию наноантенны над поверхностью образца. 3D-визуализация внутренней структуры, например, биологической клетки, может быть реализована путем последовательного срезания ее тонких слоев прецизионным ультрамикротомом и применения TERS микроскопии.

По словам  С.Харинцева, в биологии и медицине наибольшую популярность получили методы флюоресцентной микроскопии. В этом классе сверхвысокое разрешение достигается за счет пространственного и/или временного модулирования перехода флюорофора из одного энергетического состояния в другое. Главным недостатком этого метода является необходимость использования флюоресцирующих меток, которые должны быть фотостабильными и нетоксичными. Кроме того, использование методов флюоресцентной микроскопии ограничивается трудностями пробоподготовки и дороговизны флюорофоров.

В настоящее время продолжается активный поиск альтернативных методов для реализации оптического сверхразрешения.

Одним из таких решений является, отмечают авторы научной статьи, плоская суперлинза, предложенная Джоном Пендри (Имперский колледж Лондона, Великобритания) в 2000 году. Она представляет собой сэндвич, состоящий из металлической пленки между двумя диэлектрическими слоями. Сверхразрешение связано с усилением оптического ближнего поля благодаря возбуждению плазмонного резонанса. Теоретически для суперлинзы не существует какого-либо ограничивающего предела. Однако практическая реализация суперлинзы оказалась бесперспективной из-за ее одномодового режима. Ситуацию удалось изменить благодаря пионерским работам Владимира Шалаева (Университет Пердью, США), который предложил использовать вместо металла нано-композитную пленку металл-диэлектрик. Такой подход позволил настраивать линзу в широком частотном диапазоне, но она по-прежнему оставалась одномодовой.

«Нами была предложена идея использовать перколяционную наноструктурированную пленку метал-диэлектрик с вырожденной диэлектрической проницаемостью, – рассказывает Сергей Харинцев. – В качестве такого материала мы использовали оксинитрид титана (TiON), впервые синтезированного в 2017 году в группе Андрея Михая (Имперский колледж Лондона, Великобритания). Такая суперлинза обеспечивает сверхвысокое пространственное разрешение благодаря вынужденному комбинационному рассеянию света. В итоге нам удалось достичь разрешения 8 нм (или l/80) и 80 нм (или l/8) в ближнем и дальнем поле. Важно подчеркнуть, что оптическое изображение формируется с помощью стандартного объектива без использования оптических наноантенн, модуляции лазерных пучков или флюоресцирующих меток».

Физики КФУ осуществляли работу в рамках поддержанного Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование ультратонких магнитных гетероструктур, имеющих потенциал в спинтронных и оптронных приложениях», руководителем которого является профессор Института физики КФУ Ленар Тагиров. По результатам исследования один из авторов вышеупомянутой статьи  аспирант КФУ Антон Харитонов  под руководством Сергея Харинцева подготовил к защите кандидатскую диссертацию.