De laatste vooruitgang in een nieuw type optica gericht op het verbeteren van microscopie begon drie jaar geleden met een partijtje tennis.

Onthaasten na een lange dag van onderzoek in hun respectievelijke laboratoria, Mooseok Jang (Ph.D. '16) en Yu Horie (die in juni 2018 promoveert) — destijds, beide afgestudeerde studenten van Caltech - ontmoetten elkaar voor een partijtje tennis op Caltech's Braun Athletic Center-banen.

Jang, een student van Changhuei Yang - de Thomas G. Myers hoogleraar elektrotechniek, Bio-engineering, en Medical Engineering in de afdeling Engineering and Applied Science - hadden gewerkt aan een ontluikende microscopietechnologie die lichtverstrooiing gebruikt om de traditionele afweging tussen resolutie (de hoeveelheid details die je vastlegt) en gezichtsveld (het gebied dat je vastlegt) te omzeilen. Het onderzoek liep tegen een wegversperring aan:de instrumenten die werden gebruikt om licht te verstrooien waren moeilijk te voorspellen en onbetrouwbaar.

Tijdens de tenniswedstrijd Jang beschreef dit frustrerende raadsel aan Horie, een student van Universitair Docent Technische Natuurkunde en Materiaalkunde Andrei Faraon (BS '04). In het laboratorium van Faraon, Horie werkte aan meta-oppervlakken, dit zijn vellen materiaal waarvan de elektromagnetische eigenschappen op verzoek kunnen worden gewijzigd. Farao, een nanofotonica-ingenieur, creëert meta-oppervlakken die zijn bezaaid met palen op nanoschaal gemaakt van siliciumnitride. Deze nanoposten zijn in staat om licht met een hoge mate van precisie te manipuleren, bijvoorbeeld om licht te buigen zoals een lens dat doet of hologrammen te coderen op een plat oppervlak. Terwijl hun gesprek migreerde van de tennisbanen naar koffie op de Red Door Marketplace in Caltech, Jang en Horie realiseerden zich dat de expertise van hun respectievelijke laboratoria kon worden gecombineerd om een ​​betrouwbaarder, voorspelbaar lichtverstrooiend materiaal.

"Terwijl we praatten, het werd duidelijk dat we samen konden werken om dit probleem op te lossen, "zegt Jang.

De praktijk van het verstrooien van licht om een ​​afbeelding met een hoge resolutie en een breed gezichtsveld te maken, lijkt contra-intuïtief, maar demonstraties van het afgelopen decennium hebben aangetoond dat het effectief kan zijn. Hoewel verstrooid licht zich niet op een eenvoudige manier voortplant zoals licht dat door een lens gaat, het kan worden verwerkt voor optische scherpstelling en beeldvorming met hoge resolutie met behulp van een apparaat dat een ruimtelijke lichtmodulator (SLM) wordt genoemd, die de onbewerkte verspreide componenten bijeenhoudt en stuurt om high-fidelity optische controle mogelijk te maken. Het resultaat is een beeld met een groter aantal oplosbare brandpunten die over een breder gezichtsveld zijn verspreid, met andere woorden, een duidelijker, breder beeld.

Het probleem, echter, is dat deze strategie moeilijk praktisch uit te voeren is, tot het punt van nutteloosheid. Om uit het gescrambelde licht iets te begrijpen, de SLM moet precies weten hoe het werd beïnvloed door het verstrooiingsmedium. Verschillende soorten verstrooiingsmedia die momenteel in gebruik zijn, waaronder plakband, zitten vol met willekeurig geplaatste zwevende deeltjes. Wanneer een stuk tape in het pad van een lichtstraal wordt geplaatst, die deeltjes doen geweldig werk door licht op een willekeurige manier te verstrooien, wat het doel is. Echter, vanwege de inherente willekeurige aard van hun locatie op de band, het kan weken duren voordat het meetproces de verstrooiing volledig karakteriseert en hoogwaardige scherpstelling mogelijk maakt over het maximale aantal afzonderlijke punten in een afbeelding. Slechter, de zwevende deeltjes hebben de slechte gewoonte om in de tape te migreren, zelfs tijdens het kalibratieproces, die het potentieel heeft om het moeizaam lange meetproces waardeloos te maken tegen de tijd dat het is voltooid.

Met een verstrooiingsmedium zoals plakband, deze karakterisering betekende traditioneel het kalibreren van het medium door er bekende beelden doorheen te projecteren met behulp van de SLM en vervolgens achteruit te werken om de actie van het medium op het invallende licht te bepalen - en dit proces vervolgens keer op keer te herhalen om het medium volledig te karakteriseren.

Echter, met behulp van de meta-oppervlakken gegenereerd in het laboratorium van Faraon - materialen die licht op volledig voorspelbare manieren verstrooien - zou de kalibratietijd kunnen dalen van uren tot slechts minuten, het omzetten van het tijdrovende meetproces naar een eenvoudige uitlijnprocedure. Als een toegevoegde bonus, herkalibratie zou nooit nodig zijn.

"Ik denk dat Dr. Yang en zijn collega's in het begin sceptisch waren dat we licht met zo'n precisie konden regelen met behulp van deze meta-oppervlakken, " zegt Horie. Ze waren er uiteindelijk van overtuigd, echter, en in een artikel dat deze maand in Nature Photonics is gepubliceerd, de twee laboratoria demonstreren de productie van een afbeelding met een hoge resolutie - overeenkomend met een numerieke opening groter dan 0,5 - met een relatief breed (8 millimeter) gezichtsveld. Het beeld had naar schatting 2,2 miljard individuele brandpunten. Ter vergelijking, een typische hoogwaardige microscoop met dezelfde numerieke opening produceert een orde van grootte minder brandpunten.

Met voortdurende verbeteringen zoals deze, wetenschappers en pathologen kunnen monsters sneller en met een hogere resolutie scannen met microscopen.

"De hoop is dat ons werk verdere interesse in dit gebied van optica zal opwekken en dit type microscopie en de voordelen ervan haalbaar zal maken voor praktische, dagelijks gebruik - niet alleen als een proof of concept, " zegt Josh Brake (MS '16), een afgestudeerde student in het lab van Yang die samen met Faraon en Yang aan het project blijft werken.

Sinds hun baanbrekende samenwerking, Jang en Horie hebben hun doctoraat afgerond en zijn ieder hun eigen weg gegaan:Jang keerde terug naar zijn geboorteland Korea, waar hij zijn onderzoek voortzet als onderdeel van zijn verplichte militaire dienst, terwijl Horie een baan bij Apple aannam. De twee blijven in contact, Hoewel. En beiden tennissen nog steeds.

Het Nature Photonics-artikel is getiteld "Wavefront-shaping with disorder-engineered metasurfaces".