Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat ett nytt sätt att mäta avstånd på nanoskala – en nanometer är en miljarddels meter – med hjälp av ljus.

Enheter som använder ljus för att se föremål, som mikroskop, har en grundläggande begränsning baserad på fysikens lagar, som är deras upplösningsförmåga.

Det minsta avståndet som optiska enheter på ett tillförlitligt sätt kan avbilda är lika med halva våglängden av det använda ljuset, känd som "diffraktionsgränsen".

Diffraktionsgränsen är därför över 400 nanometer, ungefär halva våglängden av nära infrarött ljus. Detta är cirka 250 gånger mindre än bredden på ett människohår (100 mikron).

Men eftersom forskare är intresserade av att observera extremt små föremål som virus och nanopartiklar som varierar i storlek från 10 till 100 nanometer, en optisk upplösning på 400 nanometer är otillräcklig.

För närvarande, mätningar i nanometerskala görs med indirekta eller icke-optiska metoder, såsom svepelektronmikroskopi, som inte alltid är genomförbara, kan vara tidskrävande och kräva kostsam utrustning att använda.

Dock, en upptäckt publicerad i tidskriften Vetenskap av professor Nikolay Zheludev och Dr Guanghui Yuan vid NTU:s School of Physical &Mathematical Sciences beskriver en ny optisk metod som kan mäta förskjutningar av en nanometer – det minsta avstånd som någonsin direkt uppmätts, använder nära infrarött ljus.

Deras teoretiska beräkningar indikerar att enheter baserade på denna metod i slutändan kan mäta avstånd ner till 1/4000 ljusets våglängd, ungefär lika stor som en enda atom.

Deras prestation uppnåddes med hjälp av en 100 nanometer tjock guldfilm med över 10, 000 små slitsar skärs in i den för att diffraktera laserljus och för att utnyttja ett optiskt fenomen som kallas "superoscillation".

Begreppet superoscillation uppstod först på 1980-talet från Yakir Aharonovs kvantfysikforskning, en israelisk fysiker, och utökades därefter till optik och andra områden av den brittiske fysikern Michael Berry. Superoscillation uppstår när en "sub-våglängd" i en ljusvåg svänger snabbare än själva ljusvågen.

Hur det fungerar

"Vår enhet är konceptuellt mycket enkel, " säger Dr Yuan, en postdoktor vid Center for Disruptive Photonic Technologies (CDPT), ett center under The Photonics Institute vid NTU Singapore. "Det som gör att det fungerar är det exakta mönstret som slitsarna är arrangerade i. Det finns två typer av slitsar i mönstret, orienterade i rät vinkel mot varandra. När polariserat laserljus träffar guldfilmen, det skapar ett interferensmönster som innehåller extremt små egenskaper, mycket mindre än ljusets våglängd."

Efter detta sprids polariserat ljus från Zheludev och Yuans enhet, den producerar två korspolariserade strålar:en ett superoscillerande "interferensmönster" innehållande snabb fasvariation och den andra en referensvåg för att detektera fasen av det superoscillerande fältet.

Från fasen, det är möjligt att beräkna superoscillationens gradient, eller "lokal vågvektor, " som har en extremt smal bredd (400 gånger smalare än diffraktionsgränsen) och därmed kan användas som en högupplöst optisk linjal.

Ett hinder som NTU-forskarna var tvungna att övervinna var att dessa minsta superoscillationer inte uppträder i ljusvågens amplitud, men i sin fas. För att kartlägga ljusfältets fas, forskarna var tvungna att ta fram en speciell teknik som kunde jämföra intensiteterna som produceras av olika polarisationstillstånd av laserljus.

"Denna faskänsliga tekniken är en stor förbättring jämfört med tidigare försök att använda superoscillation för optisk mätning, sade professor Zheludev, Meddirektör för NTU:s The Photonics Institute.

"Tidigare metoder, utvecklat av oss såväl som andra, använde en klass av superoscillationer som motsvarar lokaliserade "hot spots" i intensitet. Fördelen med hot spots är att de är lätta att upptäcka. Men om målet är att mäta kortast möjliga avstånd, fassuperoscillationer är mycket mer lämpliga, på grund av deras mindre storlek."

Framtida applikationer

Professor Zheludev, som också fungerar som meddirektör för Optoelectronics Research Center vid Southampton University i Storbritannien, sa att deras upptäckt sannolikt kommer att hitta tillämpning inom industrin:

"Denna metod för optisk mätning kommer att vara mycket användbar i framtiden, såsom vid tillverkning och kvalitetskontroll av elektronik, där extremt exakta optiska mätningar krävs, och att övervaka integriteten hos själva nanoenheterna."

Går vidare, Teamet siktar på att utveckla en kompakt version av sin apparat med hjälp av optiska fibrer och att kommersialisera tekniken som en ny typ av ultraprecis optisk linjal, vilket skulle vara fördelaktigt för avancerade tillverkningsprocesser, som halvledartillverkning och optoelektronik, som är ryggraden i telekommunikationsindustrin.