Оптическое изображение содержит не только топографическую информацию об объекте, но и информацию о его существенных свойствах, включая информацию о физических, химических и биологических свойствах, поскольку на оптическое излучение видимого диапазона накладываются спектры энергии атомных и молекулярных переходов. Однако, естественная природа излучения не позволяет получать изображения объектов менее половины длины волны (в видимом излучении это порядка 200–300 нм).

Таким образом, используя традиционный процесс получения оптических изображений, практически невозможно получить изображения наноматериалов, которые могут быть величиной порядка единиц нанометров. Классические линзы из стекла (например) нельзя использовать для получения изображений наноматериалов.

Японские ученые предложили новый концепт линзы для получения оптических изображений – вместо классической искривленной поверхности стекла линза изготовлена из нано-стержней серебра. Такая металлическая нанолинза способна управлять пучком излучения так, что в видимом диапазоне может быть получено изображение нано-объектов. Показано, что такая линза может переносить цветные изображения нано-объектов на расстояния по крайней мере микрометров с существенным увеличением при наблюдении в дальнем поле. Принципиально возможен перенос изображения на более дальние расстояния без существенных потерь. Предлагаемая нано-линза может стать сильным оптическим инструментом, например, в био–медицинских приложениях – при наблюдении отдельных вирусов или других нано-объектов в дальнем поле с помощью обычных микроскопов или детекторов.

Иллюстрация переноса изображения металлической нано линзой. Оптическая энергия переносится плазмонами через серебряные нано стержни. Линза формирует увеличенное цветное изобржение с пространственным разрешением меньше длины волны.

Результаты моделирования опубликованы группой ученых во главе с Прабхатом Верма (Prabhat Verma) в интернет-издании Nature Photonics 2, 438 – 442 (2008) («Subwavelength colour imaging with a metallic nanolens»). См: http://www.nature.com/…088762E1B91C (Прабхат Верма- адъюнкт -профессор в группе Нано-Био-Фотоники Университета Осака).

Металлы всегда имеют свободные носители заряда – плазмоны – квази-частицы, которые благодаря возможности соединяться с фотонами, играют большую роль в оптических свойствах металлов, в частности, могут использоваться для переноса изображения. Однако, практические проблемы во многом сдерживают разработку метода, использующего плазмоны в металлических оптических деталях для построения и переноса оптических изображений. Одним из наиболее важных ограничений является то обстоятельство, что для построения изображений может использоваться только одна длина волны, которая резонирует с плазмонами, что, в принципе, означает невозможность получения цветных изображений хорошего качества (требуется спектр длин волн). Вторая проблема связана с тем, что плазмоны быстро теряют энергию по мере движения, делая практически невозможным перенос изображения на значительные расстояния. Третья, но не последняя, проблема заключается в том, что при переносе изображения его размер не меняется (остается в нанометровом диапазоне), что существенно ограничивает возможность регистрации таких изображений.

Японские ученые преодолели указанные проблемы, спроектировав нано-линзу как сходящийся пучок нано стержней из серебра. Ярусы стержней разделены нано-зазорами, которые останавливают продвижение плазмонов, приводя к существенно малым потерям энергии, что, в свою очередь, делает возможным построение изображений на большом расстоянии. Зазор в 10 нм дает оптимальный результат. Каждый ярус нано-стержней имеет свою резонансную моду и, соответственно, поддерживает определенную длину волны, и с увеличением количества ярусов удается решить задачу передачи цветного (мультиволнового) изображения.

Предложенная модель серебряной нано-линзы является теоретической концепцией, подтвержденной тщательными расчетами и моделированием. Очевидный следующий шаг- практическая реализация предлагаемого устройства. При этом авторы отмечают возможные трудности – точное выращивание пакета серебряных наностержней с прецизионной геометрией.

Подготовил Евгений Биргер