Nature Communications: Физики вышли за пределы возможностей микроскопов

С тех пор как в конце XVII века Антони ван Левенгук открыл в микроскоп мир бактерий, люди пытаются глубже заглянуть в мир бесконечно малых величин и созданий.

Однако существуют физические ограничения на то, насколько близко мы можем рассмотреть объект с помощью традиционных оптических методов. Это явление известно как «дифракционный предел» и обусловлено тем, что свет проявляется в виде волны. Это означает, что сфокусированное изображение никогда не может быть меньше половины длины волны света, используемого для наблюдения объекта.

Попытки преодолеть этот предел с помощью «суперлинз» наталкивались на препятствия, связанные с экстремальными потерями зрения, что делало линзы непрозрачными. Теперь физики из Сиднейского университета продемонстрировали новый способ достижения суперлинзирования с минимальными потерями, преодолев дифракционный предел почти в четыре раза. Ключом к успеху стало полное удаление суперлинзы.

Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Nature Communications.

По мнению исследователей, эта работа позволит ученым и дальше совершенствовать микроскопию сверхразрешения. Это может способствовать развитию визуализации в таких различных областях, как диагностика рака, медицинская визуализация, археология и криминалистика.

Ведущий автор исследования, доктор Алессандро Тунис (Alessandro Tuniz) из Школы физики и Наноинститута Сиднейского университета, сказал:

Теперь мы разработали практический способ реализации суперлинзирования без использования суперлинзы.

Для этого мы поместили наш световой зонд на большом расстоянии от объекта и собрали информацию как с высоким, так и с низким разрешением. Измерения на большом расстоянии позволяют зонду не мешать получению данных с высоким разрешением, что было характерно для предыдущих методов.

В предыдущих попытках создания суперлинз использовались новые материалы. Однако большинство материалов поглощают слишком много света, чтобы сделать суперлинзу полезной.

Доктор Туниз сказал:

Мы преодолели эту проблему, выполнив операцию создания суперлинзы в качестве постобработки на компьютере, после самого измерения. Это позволяет получить «правдивое» изображение объекта за счет избирательного усиления эванесцентных, или исчезающих, световых волн.

Соавтор работы, доцент Борис Кулмей (Boris Kuhlmey), также сотрудник Школы физики и Сиднейского нанотехнологического института, заметил:

Наш метод может быть применен для определения содержания влаги в листьях с большим разрешением или может быть полезен в передовых технологиях микрофабрикации, например, для неразрушающей оценки целостности микрочипов.

Метод может быть использован даже для выявления скрытых слоев в произведениях искусства, что может оказаться полезным для обнаружения подделок или скрытых работ.

Обычно при попытках суперлинзирования стараются вплотную подойти к информации высокого разрешения. Это связано с тем, что полезные данные экспоненциально убывают с расстоянием и быстро перекрываются данными низкого разрешения, которые убывают не так быстро. Однако при перемещении зонда так близко к объекту изображение искажается.

Перемещая зонд на большее расстояние, мы можем сохранить целостность информации высокого разрешения и использовать методику пост-наблюдения для отсеивания данных низкого разрешения, — сказал доцент Кулмей.

Исследования проводились с использованием света терагерцовой частоты на миллиметровой длине волны, в области спектра между видимым и микроволновым диапазонами.

Доцент Кухлмей сказал:

Это очень сложный диапазон частот для работы, но очень интересный, поскольку в этом диапазоне мы можем получить важную информацию о биологических образцах, например, о структуре белков, динамике гидратации, или для использования в визуализации рака.

Доктор Туниз заключает:

Эта методика — первый шаг к тому, чтобы получать изображения высокого разрешения, находясь при этом на безопасном расстоянии от объекта и не искажая увиденного.

«Наша методика может быть использована и в других частотных диапазонах. Мы ожидаем, что эта методика будет интересна всем, кто занимается оптической микроскопией высокого разрешения».

18.10.2023