Физики из Университета Буффало разработали гиперлинзу, работающую в видимом диапазоне и способную обойти дифракционный предел. Для ее изготовления авторы прибегли к метаматериалам — классу материалов с необычными оптическими свойствами. Об этом сообщает пресс-релиз Университета, статья опубликована в открытом доступе в журнале Nature.

Гиперлинза, разработанная авторами. Фотография сделана при помощи сканирующего электронного микроскопа. Изображение: University at Buffalo, The State University of New York

Метаматериалами называют класс материалов, свойства которых определяются скорее их микроструктурой, нежели веществом, из которых они созданы. К ним относятся, например, среды, обладающие отрицательным коэффициентом преломления. Впервые их теоретически описал советский физик Виктор Веселаго 1968 году. Это свойство приводит, например, к тому, что свет попадая в такую среду, преломляется в ту же сторону, откуда пришел пучок, а тонкая прямоугольная пластина ведет себя как линза. Как правило такие материалы состоят из многочисленных повторяющихся элементов, например, металлических колец или различных тонких слоев.

Слева устройство линзы, созданной авторами, справа — традиционной суперлинзы. Изображение: Jingbo Sun еt al. / Nature Communications, 2015

Гиперлинза в новой работе была изготовлена авторами из метаматериала на основе золота и полимера (ПММА). Она имеет веерообразную форму, что отличает ее от традиционных суперлинз, в которых тонкие слои расположены на манер концентрических окружностей. Для проверки работоспособности линзы физики разместили перед ней две узкие наноразмерные щели, отстоящие друг от друга на 250 нанометров. На них, с помощью оптического волновода, направили луч лазера с длиной волны 780 нанометров — щели разделили его на два отдельных луча.

Эксперимент с использованием гиперлинзы (сверху) и без. Во втором случае пучки света от двух щелей сливаются в одно пятно. Изображение: Jingbo Sun еt al. / Nature Communications, 2015

Если сразу после щели находились бы линзы из традиционных материалов, то любая их комбинация не позволила бы различить два образовавшихся пучка света. Однако гиперлинза смогла пространственно разделить их, что удалось зафиксировать исследователям. Веерообразная структура послужила одновременно преобразователем эванесцентных волн, порожденных щелями в распространяющиеся, а также выполнила свою роль линзы.

Схема устройства, использованного авторами в эксперименте. Изображение: Jingbo Sun еt al. / Nature Communications, 2015

Авторы отмечают, что представленные ими линзы позволяют получать изображения малых объектов с меньшими потерями, чем у традиционных суперлинз.

Впервые идея линз, преодолевающих дифракционный предел появилась в 2000 году, когда английский физик Джо Пендри теоретически показал, что в отличие от классических сред с положительным коэффициентом преломления, в метаматериалах эванесцентные волны усиливаются, а не затухают. Создав метаматериал с определенными оптическими характеристиками (гиперболической дисперсией), преобразующий эванесцентные волны в распространяющиеся, физики смогли получить требуемые характеристики.

Главной особенностью гиперлинз, созданных авторами, является возможность конвертировать эванесцентные волны света в распространяющиеся. Эванесцентными, или затухающими, называют особый класс волн, распространяющихся вдоль границы раздела фаз. С удалением от поверхности амплитуда таких волн экспоненциально, затухает. Важной особенностью этих волн является значительно меньшее значение дифракционного предела — именно с помощью них реализована сканирующая оптическая ближнепольная микроскопия, один из первых методов позволивших увидеть наномир в цвете. Однако, создать реальное изображение объекта (для чего и необходима линза) можно только с помощью обычных, распространяющихся волн.