由哈佛大學(xué)開發(fā)，并在格拉茨科技大學(xué)成功測試的革命性新型超光學(xué)顯微鏡，具有極高的空間和時(shí)間分辨率，已在格拉茨大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所的實(shí)驗(yàn)室測試中證明了其功能能力。

使用這種鏡頭的顯微鏡有望帶來全新的研發(fā)方法，尤其是在半導(dǎo)體和太陽能電池技術(shù)方面。來自格拉茨和波士頓的研究小組目前正在《科學(xué)》雜志上報(bào)告這種新型元光學(xué)器件的構(gòu)建和在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)驗(yàn)。

顯微鏡的鏡頭首次實(shí)現(xiàn)使用極紫外輻射成為可能。其極短的波長使其能夠跟蹤阿秒范圍內(nèi)的超快物理過程。例如，來自現(xiàn)代晶體管內(nèi)部的實(shí)時(shí)圖像或分子和原子與光的相互作用。

阿秒物理學(xué)使用極紫外光。由于這種光振蕩很快，并且光學(xué)開發(fā)構(gòu)建套件中的所有材料都對(duì)這種光不透明，因此直到現(xiàn)在還沒有可用的成像系統(tǒng)。

哈佛大學(xué)基于這一理念開發(fā)并在格拉茨工業(yè)大學(xué)成功測試的鏡頭突破了這一極限。在極薄的硅片上精確計(jì)算出的小孔排列可以傳導(dǎo)和聚焦入射的阿秒光。研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)顯著觀察結(jié)果是，由于孔洞覆蓋的表面，這些真空隧道傳輸?shù)墓饽艹^了應(yīng)有的水平。這意味著創(chuàng)新的超光學(xué)系統(tǒng)將紫外線吸入焦點(diǎn)。

直徑幾納米的孔

這一突破需要極小且精確控制的結(jié)構(gòu)。這已經(jīng)接近當(dāng)今技術(shù)上可行的極限。技術(shù)實(shí)施由哈佛大學(xué)的Federico Capasso團(tuán)隊(duì)完成，該團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，經(jīng)過大約兩年的實(shí)驗(yàn)階段。 元光學(xué)器件由大約200納米的薄膜組成，薄膜上刻有微小的孔結(jié)構(gòu)。

整個(gè)鏡頭由數(shù)以億計(jì)的孔組成；膜上每微米大約有十個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)。單個(gè)孔的直徑在20到80納米之間。作為比較：人的頭發(fā)大約有60到100微米厚，小病毒的直徑為15納米。孔的直徑從膜的中心向外變化和減小。根據(jù)孔的大小，那里的入射光輻射會(huì)延遲，從而坍縮成一個(gè)微小的焦點(diǎn)。

激光遇到氣體云

為了測量新型透鏡，格拉茨工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所的Martin Schultze和Hana Hampel在產(chǎn)生必要的極紫外輻射方面擁有獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)。Martin Schultze 說：“可靠地產(chǎn)生高能量的短光脈沖需要精確控制光控原子過程和非常精確的光學(xué)設(shè)置。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們開發(fā)了一種光源，它可以特別有效地產(chǎn)生這些超光學(xué)設(shè)計(jì)所針對(duì)的波長的輻射”。

在格拉茨的實(shí)驗(yàn)裝置中，激光被聚焦到惰性氣體射流中，可以產(chǎn)生極紫外輻射并集中在非常短的脈沖中。通過這種針對(duì)阿秒物理學(xué)優(yōu)化的光源，證明了超光學(xué)的有效性。

下一步：采用超光學(xué)器件的顯微鏡

下一步是開發(fā)一種可以使用這種透鏡的顯微鏡。Marcus Ossiander獲得了ERC啟動(dòng)撥款，用于這項(xiàng)先進(jìn)的研究工作和對(duì)吸光納米顆粒的研究。繼2020年Birgitta Schultze Bernhardt獲獎(jiǎng)后，這是格拉茨大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究所在短時(shí)間內(nèi)獲得的第二個(gè)頂級(jí)研究獎(jiǎng)。

阿秒顯微鏡這一新的研究領(lǐng)域可能有多種應(yīng)用。半導(dǎo)體和太陽能電池技術(shù)尤其將受益于首次能夠跟蹤載流子在空間和時(shí)間上的超快運(yùn)動(dòng)的可能性。在現(xiàn)代晶體管和光電子電路中，相關(guān)過程發(fā)生在幾納米的空間擴(kuò)展內(nèi)和幾阿秒的時(shí)間范圍內(nèi)。新的元光學(xué)將使人們能夠觀察這些信息技術(shù)的核心組件的工作情況，并進(jìn)一步優(yōu)化它們。





審核編輯：劉清