Σούπερ φακοί με διακριτική ικανότητα κάτω από το μήκος κύματος του φωτός

Πηγή: PhysicsWeb Νοέμβριος 2005

Φυσικοί στις ΗΠΑ κατασκεύασαν για πρώτη φορά οπτικό φακό από ένα λεπτό στρώμα αργύρου. Ο φακός αυτός έχει αρνητικό δείκτη διάθλασης και μπορεί να εστιάσει δομές με διακριτική ικανότητα η οποία είναι περίπου το 1/6 του μήκους κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται. Έτσι παραβιάζεται το όριο διακριτικής ικανότητας που υπάρχει στη συνήθη οπτική λόγω περίθλασης.

Ο Xiang Zhang και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο του Berkeley λένε ότι ο φακός αυτός θα μπορούσε να έχει πολλές εφαρμογές, όπως π.χ. η απεικόνιση αντικειμένων στη νανοκλίμακα με χρήση ορατού φωτός. 

Ένα σχήμα απεικόνισης της νανοκλίμακας το οποίο χρησιμοποιεί ένα σούπερ φακό από άργυρο και πετυχαίνει διακριτική ικανότητα πέρα από το όριο περίθλασης. Η κόκκινη γραμμή δείχνει την ενίσχυση των μεταβατικών κυμάτων καθώς περνάνε μέσα από τον φακό. (Η εικόνα ανήκει στον Cheng Sun, UC Berkeley)

Οι συμβατικοί φακοί με θετικό δείκτη διάθλασης, δημιουργούν τις εικόνες συλλαμβάνοντας τα φωτεινά κύματα που εκπέμπονται από ένα αντικείμενο και στη συνέχεια κάμπτουν τις ακτίνες ώστε να τις συγκεντρώσουν σε κάποια άλλα σημεία. Τα διάφορα αντικείμενα όμως εκπέμπουν εκπέμπουν επίσης και μη ορατά κύματα (μεταβατικά κύματα), τα οποία περιέχουν αρκετές πληροφορίες για τις πολύ μικρές κλίμακες των αντικειμένων. Τα κύματα αυτά είναι πολύ πιο δύσκολο να μετρηθούν γιατί ελαττώνονται εκθετικά και δεν φτάνουν ποτέ στο επίπεδο που σχηματίζεται η εικόνα του αντικειμένου. Υπάρχει έτσι ένα όριο       στην οπτική που λέγεται όριο λόγω περίθλασης.

Το 2000, ο John Pendry του Imperial College στο Λονδίνο πρότεινε ότι ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης - δηλαδή ένα υλικό που κάμπτει το φως κατά την αντίθετη κατεύθυνση απ' ότι τα συνήθη υλικά - θα μπορούσε να συλλάβει και να ξαναεστιάσει αυτά τα μεταβατικά κύματα. Η ιδέα αυτή ενός τέλειου φακού ή ενός υπέρ-φακού ήρθε μετά από 30 χρόνια αφότου ο Ρώσσος φυσικός  Victor Veselago εκτίμησε πρώτος ότι τα υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης, πράγματι υπάρχουν. Σ' ένα τέτοιο σούπερ φακό τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που φτάνουν στην επιφάνειά του διεγείρουν μια συλλογική κίνηση επιφανειακών κυμάτων,  κάτι σαν ηλεκτρικές ταλαντώσεις που είναι γνωστές ως επιφανειακά πλασμόνια. Η διαδικασία αυτή ενισχύει και αποκαθιστά τα μεταβατικά κύματα.

Το 2003, η ομάδα του Zhang έδειξε ότι τα οπτικά μεταβατικά κύματα μπορούσαν πράγματι να ενισχυθούν καθώς περνούσαν μέσα από ένα σούπερ φακό αργύρου. Τώρα πήγαν τη δουλειά τους ακόμα ένα βήμα πιο πέρα και έχουν απεικονίσει με τον σούπερ φακό τους, αντικείμενα διαμέτρου 40-nm. Ο φακός τους έχει πάχος μόλις 35-nm. Αντίθετα, τα συνήθη οπτικά μικροσκόπια μπορούν να διακρίνουν αντικείμενα μεγέθους περίπου 400 nm, που είναι δηλαδή το 1/10 της διαμέτρου ενός ερυθροκυττάρου του αίματος.

"Η δουλειά μας εξασφαλίζει μια νέα απεικονιστική μέθοδο η οποία μπορεί να ξεπεράσει το όριο της οπτικής περίθλασης και έχει τρομακτική δυναμική φέρει επανάσταση σε μια πλατιά γκάμα τεχνολογιών" λέει ο Zhang. Αυτές περιλαμβάνουν την απεικόνιση μεγάλης ευκρίνειας στη βιοιατρική, σε πραγματικό χρόνο και απευθείας επί του ανθρώπου, στην οπτική λιθογραφία για να κατασκευαστούν ηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλότερης πυκνότητας και ταχύτερες οπτικές ίνες για τις επικοινωνίες.

"Η εργασία αυτή αποτελεί ένα κρίσιμο βήμα προς τα εμπρός" λέει ο David Smith του πανεπιστημίου  Duke. "Μας επιβεβαιώνει την αρχική εικασία του Pendry, ότι ένα στοιχείο με αρνητικό δείκτη διάθλασης μπορεί να εστιάσει κοντινά πεδία και δείχνει καθαρά ότι η επανεστίαση των μεταβατικών κυμάτων μπορεί να δημιουργήσει μια εικόνα."

"Η εργασία αυτή πετυχαίνει αρκετά," λέει ο ίδιος ο Pendry. "Αν και οι σούπερ φακοί έχουν ήδη επιτευχθεί στο παρελθόν με συχνότητες μικροκυμάτων, αυτή είναι η πρώτη σούπερ διακριτική ικανότητα με οπτικές συχνότητες - όπου υπάρχουν και οι μεγαλύτερες προσδοκίες για τεχνολογικές εφαρμογές. Είμαι εξαιρετικά ευχαριστημένος με το αποτέλεσμα αυτό."

Αναφορά: N Fang et al. 2005 Science 308 534