革命性新型超光學顯微鏡可顯示阿秒范圍內(nèi)的物理過程

由哈佛大學開發(fā)，并在格拉茨科技大學成功測試的革命性新型超光學顯微鏡，具有極高的空間和時間分辨率，已在格拉茨大學實驗物理研究所的實驗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》雜志上報告這種新型元光學器件的構(gòu)建和在實驗室成功實驗。

顯微鏡的鏡頭首次實現(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)部的實時圖像或分子和原子與光的相互作用。

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

哈佛大學基于這一理念開發(fā)并在格拉茨工業(yè)大學成功測試的鏡頭突破了這一極限。在極薄的硅片上精確計算出的小孔排列可以傳導和聚焦入射的阿秒光。研究團隊的一個顯著觀察結(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)新的超光學系統(tǒng)將紫外線吸入焦點。

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)接近當今技術(shù)上可行的極限。技術(shù)實施由哈佛大學的Federico Capasso團隊完成，該團隊在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，經(jīng)過大約兩年的實驗階段。 元光學器件由大約200納米的薄膜組成，薄膜上刻有微小的孔結(jié)構(gòu)。

整個鏡頭由數(shù)以億計的孔組成；膜上每微米大約有十個這樣的結(jié)構(gòu)。單個孔的直徑在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延遲，從而坍縮成一個微小的焦點。

激光遇到氣體云

為了測量新型透鏡，格拉茨工業(yè)大學實驗物理研究所的Martin Schultze和Hana Hampel在產(chǎn)生必要的極紫外輻射方面擁有獨特的專業(yè)知識。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設(shè)置。對于這個項目，我們開發(fā)了一種光源，它可以特別有效地產(chǎn)生這些超光學設(shè)計所針對的波長的輻射”。

在格拉茨的實驗裝置中，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。通過這種針對阿秒物理學優(yōu)化的光源，證明了超光學的有效性。

下一步：采用超光學器件的顯微鏡

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啟動撥款，用于這項先進的研究工作和對吸光納米顆粒的研究。繼2020年Birgitta Schultze Bernhardt獲獎后，這是格拉茨大學實驗物理研究所在短時間內(nèi)獲得的第二個頂級研究獎。

阿秒顯微鏡這一新的研究領(lǐng)域可能有多種應(yīng)用。半導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間上的超快運動的可能性。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展內(nèi)和幾阿秒的時間范圍內(nèi)。新的元光學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，并進一步優(yōu)化它們。





審核編輯：劉清