Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een nieuwe manier ontwikkeld om afstanden op nanoschaal te meten - één nanometer is een miljardste van een meter - met behulp van licht.

Apparaten die licht gebruiken om objecten te zien, zoals microscopen, een fundamentele beperking hebben op basis van de wetten van de fysica, dat is hun oplossend vermogen.

De kleinste afstand die optische apparaten betrouwbaar kunnen afbeelden is gelijk aan de helft van de golflengte van het gebruikte licht, bekend als de "diffractielimiet".

De diffractielimiet ligt dus boven 400 nanometer, ongeveer de helft van de golflengte van nabij-infrarood licht. Dit is zo'n 250 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar (100 micron).

Maar aangezien wetenschappers geïnteresseerd zijn in het observeren van extreem kleine objecten zoals virussen en nanodeeltjes die in grootte variëren van 10 tot 100 nanometer, een optische resolutie van 400 nanometer is onvoldoende.

Momenteel, metingen op nanometerschaal worden gedaan met behulp van indirecte of niet-optische methoden, zoals scanning elektronenmicroscopie, die niet altijd haalbaar zijn, kan tijdrovend zijn en vereist dure apparatuur om te bedienen.

Echter, een ontdekking gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap door Professor Nikolay Zheludev en Dr. Guanghui Yuan van NTU's School of Physical &Mathematical Sciences beschrijft een nieuwe optische methode die verplaatsingen van een nanometer kan meten - de kleinste afstand die ooit direct gemeten is, gebruik van nabij-infraroodlicht.

Hun theoretische berekeningen geven aan dat apparaten op basis van deze methode uiteindelijk afstanden kunnen meten tot 1/4000 van de golflengte van licht, tot ongeveer de grootte van een enkel atoom.

Hun prestatie werd bereikt met behulp van een 100 nanometer dikke goudfilm met meer dan 10, 000 minuscule spleten erin gesneden om laserlicht te buigen en een optisch fenomeen dat bekend staat als 'superoscillatie' te exploiteren.

Het concept van superoscillatie ontstond voor het eerst in de jaren tachtig uit het kwantumfysica-onderzoek van Yakir Aharonov, een Israëlische natuurkundige, en werd vervolgens uitgebreid tot optica en andere gebieden door de Britse natuurkundige Michael Berry. Superoscillatie treedt op wanneer een "subgolflengte" in een lichtgolf sneller oscilleert dan de lichtgolf zelf.

Hoe het werkt

"Ons apparaat is conceptueel heel eenvoudig, " zegt dr. Yuan, een postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Disruptive Photonic Technologies (CDPT), een centrum onder The Photonics Institute bij NTU Singapore. "Wat het laat werken, is het precieze patroon waarin de spleten zijn gerangschikt. Er zijn twee soorten spleten in het patroon, haaks op elkaar georiënteerd. Wanneer gepolariseerd laserlicht de gouden film raakt, het creëert een interferentiepatroon met uiterst kleine functies, veel kleiner dan de golflengte van licht."

Nadat dit gepolariseerde licht van het apparaat van Zheludev en Yuan is verstrooid, het produceert twee kruisgepolariseerde bundels:de ene een superoscillerend "interferentiepatroon" met snelle fasevariatie en de andere een referentiegolf om de fase van het superoscillatoire veld te detecteren.

Vanaf de fase, het is mogelijk om de gradiënt van de superoscillatie te berekenen, of "lokale golfvector, " die een extreem smalle breedte heeft (400 keer smaller dan de diffractielimiet) en dus kan worden gebruikt als een optische liniaal met hoge resolutie.

Een hindernis die de NTU-wetenschappers moesten overwinnen, was dat deze kleinste superoscillaties niet verschijnen in de amplitude van de lichtgolf, maar in zijn fase. Om de fase van het lichtveld in kaart te brengen, de wetenschappers moesten een speciale techniek bedenken om de intensiteiten te vergelijken die worden geproduceerd door verschillende polarisatietoestanden van laserlicht.

"Deze fasegevoelige techniek is een grote verbetering ten opzichte van eerdere pogingen om superoscillatie te gebruiken voor optische metingen, " zei professor Zheludev, Co-directeur van NTU's The Photonics Institute.

"Eerdere methoden, ontwikkeld door ons en anderen, gebruikte een klasse van superoscillaties die overeenkomen met gelokaliseerde 'hot spots' in intensiteit. Het voordeel van hotspots is dat ze gemakkelijk te detecteren zijn. Maar als het doel is om de kortst mogelijke afstanden te meten, fase-superoscillaties zijn veel geschikter, vanwege hun kleinere formaat."

Toekomstige toepassingen

Professor Zheludev, die tevens co-directeur is van het Optoelectronics Research Centre aan de Southampton University in het VK, zei dat hun ontdekking waarschijnlijk toepassing zal vinden in de industrie:

"Deze methode van optische meting zal in de toekomst zeer nuttig zijn, zoals bij de productie en kwaliteitscontrole van elektronica, waar uiterst nauwkeurige optische metingen vereist zijn, en om de integriteit van nano-apparaten zelf te bewaken."

Vooruit gaan, het team streeft ernaar een compacte versie van hun apparaat te ontwikkelen met behulp van optische vezels en de technologie te commercialiseren als een nieuw type ultraprecieze optische liniaal, wat gunstig zou zijn voor geavanceerde productieprocessen, zoals halfgeleiderfabricage en opto-elektronica, die de ruggengraat vormen van de telecommunicatie-industrie.