博科園：本文為光學與光子學類
雙曲超材料是一種人工製造的結構，可以通過在基體上沉積交替薄層的導體(如銀或石墨烯)而形成。它們的一種特殊能力是支持一束非常窄的光束傳播，這種光束可以通過在其表面放置納米顆粒並用激光束照射來產生。在實踐中實現未知和任意對象的亞波長圖像是極具挑戰性，但是正如密歇根大學和普渡大學的研究人員在APL光子學期刊上所報道的那樣，在已知該對象的某些信息時，並不總是需要獲得完整的圖像。密歇根大學的西奧多·b·諾里斯(Theodore B. Norris)說：我們日常生活中常見的一個例子就是指紋。
指紋識別系統不需要獲得完整的高分辨率指紋圖像，只需要識別它。因此，合著者之一的Evgenii E. Narimanov開始思考，是否可以在不需要獲得完整圖像的情況下識別納米尺度級別的物體？雙曲超材料中光束傳播方向取決於光的波長。通過掃過入射光的波長，窄光束將掃描底部雙曲超材料及其空氣界面。如果納米物體被放置在底部界面附近，它們就會散射光線;當窄波束指向它們時，這種散射最強。密歇根大學(University of Michigan)研究生黃正宇(音譯)表示：我們可以使用光電探測器測量散射光功率，並繪製出散射光功率與入射光波長的關係圖。
這種圖形通過圖形中散射峰的波長編碼關於納米物體的空間信息，並通過峰值高度編碼它們的物質信息。這張圖就像一個“指紋”，讓研究人員能夠確定底部納米物體相對於頂部納米粒子的距離，以及兩個納米物體之間的分離和物質組成。在過去的十年中，通過光學技術進入納米級世界一直是光學領域中最活躍的前沿領域之一。傳統顯微鏡的分辨率受到光波長限制，使用傳統的顯微鏡，我們能分辨出的最小特徵是可見光的250納米左右，這也被稱為Abbe極限。
超越這一限制並解決較小的特性將需要一些高級技術，大多數都是成像方法，用包含感興趣的物體的圖像作為測量。但研究工作並沒有遵循成像方法，而是展示了一種通過‘指紋’過程獲取微觀世界空間和物質信息的新途徑。值得注意的是，它可以分辨兩個相距僅20納米的物體——遠遠超過阿貝極限。研究可能會在生物分子測量中找到潛在的應用，人們感興趣的是通過納米尺度分離來確定兩個生物分子之間的距離，例如，這可以用來研究蛋白質之間的相互作用。該方法也可以用於工業產品監測，以確定納米結構零件是否按規格生產。
阿貝極限-參考百科：19世紀末德國物理學家恩斯特·阿貝指出：光學顯微鏡分辨率的極限，大約是可見光波長的一半。可見光中波長最短的是藍紫光，其波長在0.4微米左右。因此，如果兩點之間的距離小於0.2微米，我們將無法分辨出這是兩個點。這就是通常所說的“阿貝極限”。阿貝極限使我們無法更加深入地瞭解微觀世界，例如病毒的直徑通常就在0.02~0.3微米，無法用已有的光學顯微鏡觀察清楚。
博科園-科學科普｜研究/來自: 美國物理學會
參考期刊文獻:《APL Photonics》
DOI: 10.1063/1.5079736
博科園-傳遞宇宙科學之美
閱讀更多 博科園 的文章
