Исследователи из США и Германии сконструировали простую «суперлинзу», которая работает в средней инфракрасной области спектра.

Основной задачей «суперлинз» считается преодоление дифракционного предела, не позволяющего рассмотреть детали изображения. Этот классический физический эффект устанавливает максимальное разрешение на уровне, примерно соответствующем половине длины волны падающего света.

«Суперлинзы» обходят ограничение за счёт сбора так называемых исчезающих волн, которые несут подробную информацию об исследуемом объекте, но, в полном соответствии с названием, «исчезают» на небольшом расстоянии от него и традиционными линзами не обнаруживаются.

Чаще всего «суперлинзы» выполняют из метаматериала, что делает их весьма сложными и дорогими.

«Они фокусируют обычные распространяющиеся волны и реконструируют исчезающие, выдавая изображение высокого разрешения, — говорит ведущий автор работы Сюзанна Кер (Susanne Kehr) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. — Наш упрощённый вариант устройства, напротив, занимается только исчезающими полями».

Детальное изображение в экспериментах восстанавливалось по сигналам от «суперлинзы» с помощью специального датчика, который располагался у поверхности образца. Этот датчик представляет собой покрытую металлом иглу атомно-силового микроскопа и преобразует исчезающие поля в регистрируемые распространяющиеся волны.

Новая двухслойная «суперлинза» построена на основе материалов со структурой перовскита. Сначала учёные расположили на подложке из титаната стронция SrTiO₃ те небольшие объекты, которые будут наблюдаться, — прямоугольные образцы рутената стронция SrRuO₃ с толщиной в 50 нм и длиной стороны до 3 мкм. Поверх них методом импульсного лазерного осаждения были нанесены слои феррита висмута BiFeO₃ и того же титаната стронция, составляющие саму «суперлинзу». Толщина этих слоёв равнялась 200 и 400 нм.

Рис. 1. Схема эксперимента, на которой показаны слои «суперлинзы», исследуемые объекты, лазер и датчик (синий). Красным обозначены исчезающие волны. Ниже расположены графики изменения действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости SrTiO₃ и BiFeO₃. Справа стрелкой выделена длина волны, на которой должно проявляться «суперлинзирование». (Иллюстрация из журнала Nature Communications).

Согласно теории, условия «суперлинзирования» в такой системе создаются тогда, когда действительные части диэлектрической проницаемости обоих слоёв равны по модулю, но отличаются по знаку. Как показывает график, это условие должно выполняться на длине волны в 13,9 мкм.

Помимо иглы атомно-силового микроскопа, в опытах был задействован источник излучения — лазер на свободных электронах, функционирующий в диапазоне длин волн 4–250 мкм. Результаты измерений свидетельствуют о том, что «суперлинза» действительно функционирует в области расчётной длины волны и позволяет различать структуры размером 3×3 мкм, находящиеся на расстоянии в 1 мкм друг от друга;

следовательно, предел разрешения составляет около одной четырнадцатой части рабочей длины волны!

Поскольку феррит висмута имеет сегнетоэлектрические свойства, «суперлинза» может управляться внешним электрическим полем. Это очень удобно: поле позволяет изменять рабочую длину волны устройства или выключать эффект «суперлинзирования».

Рис. 2. В левой колонке показаны упрощённые схемы исследуемого образца, правее — изображения, переданные атомно-силовым микроскопом (масштабные полоски — 10 мкм); справа размещены изображения, полученные с помощью «суперлинзы». Если её убрать (см. верхний ряд), ничего хорошего не получается. В среднем ряду представлены результаты работы симметричной «суперлинзы» с дополнительным слоем BiFeO₃, а снизу — изображения с обычного двухслойного варианта. Несложно заметить, что эффект «суперлинзирования» проявляется только на определённых длинах волн. (Иллюстрация из журнала Nature Communications).