Nieuw Illinois ECE-onderzoek bevordert het gebied van optische microscopie, het veld een cruciaal nieuw hulpmiddel geven om uitdagende problemen op vele gebieden van wetenschap en techniek op te lossen, waaronder inspectie van halfgeleiderwafels, nanodeeltjes detectie, materiële karakterisering, biodetectie, virus tellen, en microfluïdische monitoring.

Vaak wordt de vraag gesteld, "Waarom kunnen we objecten op nanoschaal niet zien of voelen onder een lichtmicroscoop?" De antwoorden uit het leerboek zijn dat hun relatieve signalen zwak zijn, en hun scheiding is kleiner dan Abbe's resolutielimiet.

Echter, het Illinois ECE-onderzoeksteam, onder leiding van Illinois ECE Professor Lynford L Goddard, samen met postdoc Jinlong Zhu, en Ph.D. student Aditi Udupa, daagt deze hoeksteenprincipes uit met een gloednieuw optisch raamwerk.

Hun werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatie opent nieuwe deuren voor het gebruik van optische microscopie om moeilijke problemen te ontrafelen die ons dagelijks leven beïnvloeden.

"Ons werk is niet alleen belangrijk omdat het het wetenschappelijke begrip van optische beeldvorming bevordert, maar ook omdat het onderzoekers in staat stelt om ongelabelde objecten met diepe subgolflengtescheidingen direct te visualiseren. We kunnen de structuur op nanoschaal zien zonder enige nabewerking van het beeld uit te voeren", zei Goddard.

De doorbraken van het team begonnen in mei 2018 toen Zhu en Goddard een opmerkelijk resultaat ontdekten in een van hun simulaties. "Destijds, we voerden een theoretische studie uit naar inspectie van waferdefecten en moesten een simulatietool bouwen om te modelleren hoe licht zich door een microscoopsysteem voortplant. Toen we het simulatieresultaat voor een van de configuraties zagen, we waren er nogal door in de war, Goddard herinnert zich. "We werkten de volgende drie maanden dag en nacht om de fysica erachter te begrijpen. Toen we eenmaal een analytische uitdrukking in gesloten vorm ontwikkelden die uitlegde wat er aan de hand was, we zouden een experiment kunnen bedenken om onze hypothesen te testen."

Echter, het zou nog vijf maanden van vallen en opstaan ​​vergen om te leren hoe het optische systeem moet worden gebouwd en uitgelijnd, zodat de experimentele configuratie de aannames van het model repliceert. In de tussentijd, Mevr. Udupa vervaardigde geschikte testmonsters in zowel het Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory als het Materials Research Laboratory met de hulp van Dr. Edmond Chow en Dr. Tao Shang. In januari 2019, het team realiseerde eindelijk de nodige experimentele omstandigheden en visualiseerde hun eerste reeks diepe subgolflengte-objecten direct.

"Het gebruik van een standaard optische microscoop om nanometrische objecten te visualiseren is een enorme uitdaging, niet alleen vanwege de diffractiebarrière, maar ook het zwakke signaal, " zei Zhu. "Ons experiment moest gebruik maken van twee nieuwe en interessante fysieke concepten, antisymmetrische excitatie en niet-resonantieversterking, om de signaal-ruisverhouding van de objecten op nanoschaal te versterken."

Het team toonde aan dat de techniek zowel vrije-vorm als vaste-vorm nanoschaalobjecten kan detecteren over een breed gezichtsveld (726 m × 582 μm) met behulp van een objectief met een laag numeriek diafragma (0,4 NA). Zhu legt uit, "We hadden veel geluk dat sommige van de nanodraden op ons hierboven getoonde testmonster fabricage-onvolkomenheden hadden. Hierdoor konden we de visualisatie van sub-20 nm-defecten in een halfgeleiderchip demonstreren. men kan onze methode ook toepassen voor het visualiseren van biologische objecten (bijv. virussen of molecuulclusters) door nanodraden te kiezen met geoptimaliseerde geometrie en de juiste brekingsindex en functionele groepen rond nanodraden te modelleren. Zodra doelanalyten zijn gevangen, ze fungeren als objecten die direct kunnen worden gevisualiseerd vanuit de optische beelden."