New Illinois ECE -forskning utvecklar området optisk mikroskopi, ge fältet ett nytt kritiskt verktyg för att lösa utmanande problem inom många vetenskaps- och teknikområden inklusive inspektion av halvledarskivor, nanopartikelavkänning, materialkarakterisering, biosensing, virusräkning, och mikrofluidövervakning.

Frågan ställs ofta, "Varför kan vi inte se eller känna nanoskalaobjekt under ett ljusmikroskop?" Textbokens svar är att deras relativa signaler är svaga, och deras separation är mindre än Abbes upplösningsgräns.

Dock, Illinois ECE -forskargrupp, ledd av Illinois ECE -professor Lynford L Goddard, tillsammans med postdoc Jinlong Zhu, och Ph.D. student Aditi Udupa, utmanar dessa hörnstensprinciper med ett helt nytt optiskt ramverk.

Deras arbete, publicerad i Naturkommunikation öppnar nya dörrar för att använda optisk mikroskopi för att upptäcka svåra problem som påverkar vårt dagliga liv.

"Vårt arbete är viktigt inte bara för att det främjar vetenskaplig förståelse för optisk avbildning utan också för att det gör det möjligt för forskare att direkt visualisera omärkta objekt som har djupa subvåglängdsseparationer. Vi kan se nanoskala struktur utan att utföra någon bild efterbehandling", säger Goddard.

Lagets genombrott började i maj 2018 när Zhu och Goddard snubblade över ett anmärkningsvärt resultat i en av deras simuleringar. "Just då, vi genomförde en teoretisk studie om skivdefektinspektion och behövde bygga ett simuleringsverktyg för att modellera hur ljus sprider sig genom ett mikroskopsystem. När vi såg simuleringsresultatet för en av konfigurationerna, vi var ganska förvirrade av det, ”Minns Goddard.” Vi arbetade dag och natt under de kommande tre månaderna för att förstå fysiken bakom. När vi väl utvecklade ett slutet analytiskt uttryck som förklarade vad som pågick, vi skulle kunna utarbeta ett experiment för att testa våra hypoteser. "

Dock, det skulle ta ytterligare fem månaders försök och fel att lära sig att bygga och anpassa det optiska systemet så att den experimentella konfigurationen replikerade modellantagandena. Under tiden, Udupa tillverkade lämpliga testprover vid både Holonyak Micro- och Nanotechnology Laboratory och Material Research Laboratory med hjälp av Dr. Edmond Chow och Dr. Tao Shang. I januari 2019, laget insåg äntligen de nödvändiga experimentella förhållandena och direkt visualiserade sin första uppsättning djupa subvåglängdsobjekt.

"Att använda ett vanligt optiskt mikroskop för att visualisera nanometriska objekt är extremt utmanande inte bara på grund av diffraktionsbarriären, men också den svaga signalen, "sa Zhu." Vårt experiment var tvunget att använda två nya och intressanta fysiska begrepp, antisymmetrisk excitation och icke-resonansförstärkning, för att öka signal-brusförhållandet för nanoskalaobjekten. "

Teamet visade att tekniken kan känna av både friform och fast form nanoskalaobjekt över ett brett synfält (726 μm × 582 μm) med hjälp av ett lågt numeriskt bländarobjektiv (0,4 NA). Zhu förklarar, "Vi hade ganska tur att några av nanotrådarna på vårt testprov som visas ovan hade fabrikationsfel. Detta gjorde att vi kunde visa visualisering av sub-20 nm defekter i ett halvledarchip. I framtiden, man kan också tillämpa vår metod för visualiserbar avkänning av biologiska objekt (t.ex. virus eller molekylkluster) genom att välja nanotrådar med optimerad geometri och korrekt brytningsindex och mönstrande funktionella grupper runt nanotrådar. När målanalyser har fastnat, de fungerar som objekt som kan visualiseras direkt från de optiska bilderna. "