Физики Казанского федерального университета совместно с коллегами из университета ИТМО (Санкт-Петербург) и университета Аалто (Финляндия) опубликовали в журнале «Успехи физических наук» обзорную статью, посвященную современным тенденциям развития оптической микроскопии с субволновым пространственным разрешением.
В обзоре освещаются физические принципы современных оптических устройств, основанных на использовании металлических пленок, материалов с предельной анизотропией (гиперболических метаматериалов), двойных метаповерхностей, мутных сред и т.п. Среди обсуждаемых инструментов оптической визуализации суб-волновых объектов – нелинейная металинза, разработанная группой исследователей из Казанского университета в рамках реализации пролонгированного в этом году Российским научным фондом проекта «Синтез и исследование нового класса нанокомпозитной керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью для оптоплазмоных приложений», которым руководит заведующий кафедрой оптики и нанофотоники, профессор Института физики Казанского федерального университета Сергей Харинцев.
«Оптическая визуализация занимает центральное место среди методов, использующих известные физические инструменты для изучения структуры и свойств микро- и макромира, – рассказывает Сергей Сергеевич. – Ярким примером является обнаружение и описание бактерий с помощью оптического микроскопа, способного увеличивать объекты в 270 раз, который был разработан голландским натуралистом Антони ван Левенгуком во второй половине XVII века. С тех пор этот метод интенсивно развивался и быстро достиг своего предела в пространственном разрешении, связанного с конечной длиной волны света (lambda/2). В 1928 году Эдвард Синдж предложил революционный способ преодоления дифракционного предела с помощью наноотверстия в тонкой металлической пленке. Изображение объекта формируется путем пошагового сканирования наноотверстия (или оптической наноантенны) непосредственно над поверхностью этого объекта (расстояние между объектом и наноантенной составляет несколько нанометров). Экспериментальная реализация этой идеи впервые была осуществлена Дитером Полом (IBM) только в 1982 году. Ему удалось достичь пространственного разрешения lambda/10 (50 нм). Это послужило толчком к развитию сканирующей ближнепольной оптической микроскопии высокого разрешения».
Как сообщил физик, в 2014 году за развитие метода флуоресцентной микроскопии со сверхвысоким пространственным разрешением была присуждена Нобелевская премия в области химии ученым Э.Бетцигу (США) и У.Мернеру (США), а также Ш.Хеллу (Германия).
«В 2019 году научная группа под руководством профессора А.Апкариана (США) впервые продемонстрировала пространственное разрешение lambda/1000 (0.16 нм) в оптическом диапазоне с помощью визуализации нормальных мод колебаний одиночной молекулы порфирина методом гигантского комбинационного рассеяния света. Такое беспрецедентное пространственное разрешение стало возможным благодаря резонансному взаимодействию колебательных мод молекулы с локализованными плазмонными резонансами оптической наноантенны», – продолжил заведующий кафедрой оптики и нанофотоники.
В Казанском университете исследования в этой области проводятся сотрудниками НИЛ «Квантовая фотоника и метаматериалы» под руководством С.Харинцева с использованием многофункционального аналитического комплекса NTEGRA SPECTRA (NT-MDT). Эта система позволяет регистрировать оптический сигнал с пространственным разрешением lambda/10(10-20 нм).
«Несмотря на значительный прогресс в области сканирующей оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, до сих пор остается нерешенной задача формирования оптического изображения объекта за пределом дифракции света без сканирования сфокусированным лазерным пучком», – отметил ученый.
По его мнению, субволновая широкопольная оптическая микроскопия способна перевернуть наше представление об окружающем мире.
«Когда будут созданы очки из метаматериала, разрешающая способность наших глаз увеличится в десятки или даже сотни раз. С их помощью мы сможем легко наблюдать за микробами, рассматривать клетки микроорганизмов и даже визуализировать вирусы, размер которых порядка 100 нанометров. Безусловно, такие оптические приборы будут очень востребованы, в первую очередь в микрохирургии, офтальмологии, генной инженерии, материаловедении, наноэлектронике», – проинформировал С.Харинцев.
Сегодня для реализации субволновой широкопольной оптической микроскопии, сообщил он, применяются методы математической обработки массива изображений, например, в фотоактивируемой локализационной микроскопии и микроскопии со стохастической оптической реконструкцией изображения.
«Наиболее перспективным направлением физической реализации методов субволновой широкопольной оптической микроскопии являются металинзы, способные управлять оптическими ближними полями в метаматериалах или в их двумерных аналогах – метаповерхностях и визуализировать объекты в дальнем поле. В основе этого направления лежала идеальная линза Веселаго-Пендри, концепция которой не выдержала экспериментальной проверки, но дала толчок к развитию реальных металинз, которые подробно описаны в обзоре. Пока, к сожалению, практическая ценность создания металинз оставляет желать лучшего ввиду их сложной технологической конструкции и необходимости постматематической обработки изображений», – сказал профессор.
В настоящее время физики КФУ занимаются усовершенствованием технологии сверхлинзирования на основе новой тугоплавкой керамики с вырожденной диэлектрической проницаемостью, вещественная часть которой не зависит от длины волны света в видимом и инфракрасном диапазоне. Научной группой под руководством С.Харинцева разработана концепция нелинейной металинзы на основе тугоплавкой плазмонной тонкой пленки из оксинитрида титана.
«Такое устройство продемонстрировало разрешение lambda/8 (80 нм) без постматематической обработки изображения. По результатам научных исследований получен патент на изобретение. Совместно с крупнейшим в России и странах СНГ инжиниринговым предприятием в области радиоэлектроники Ostec (Москва) осуществляется внедрение этой научной разработки с последующей ее коммерциализацией», – сообщил ученый КФУ.
Сергей Харинцев уверен: металинзы в ближайшем будущем смогут совершить переворот в оптической микроскопии благодаря возможности широкопольной визуализации объектов за пределами дифракции света без использования математической реконструкции изображений.