«Представьте, вы загружаете фото своих клеток на Facebook»

Сделан важный шаг на пути к созданию «суперлинзы» — совершенной линзы, позволяющей достигнуть неограниченного увеличения объектов. Через такую линзу можно будет увидеть вирусы в капельке крови и другие объекты размером в одну тысячную толщины человеческого волоса.

«Суперлинза» — то есть совершенная линза, позволяющая достигнуть неограниченного увеличения объектов, — до последнего времени оставалась не более чем мыслительной конструкцией. Виной тому естественные ограничения, носящие название дифракционного предела. Линза не может достичь разрешения меньше длины волны используемого излучения. Соответственно, для оптических линз этот предел — около 200 нм, что сравнимо с размером самых маленьких бактерий. Чтобы «видеть» меньшие объекты, людям приходится использовать специальную аппаратуру, генерирующую излучение с другой длиной волны. Электронные микроскопы с помощью пучка электронов «различают» объекты нанометрового размера; дифрактометры с помощью рентгеновских лучей — десятых долей нанометра, однако все это дорогие, громоздкие и нетранспортабельные приборы. Необходимость иметь генератор соответствующего излучения закрывает возможность создания действительно портативных устройств такого рода.

«Суперлинза» — изобретение, фактически «нарушающее» законы природы: она позволяет «видеть» объекты размером меньше длины волны используемого излучения.

Скажем, с помощью видимого света (то есть глазом) можно различить объекты не в 200 нм, а 100 нм и менее. Чтобы достичь этого эффекта, нужны так называемые метаматериалы — материалы, свойства которых в каком-то смысле и нарушают эти законы: они имеют отрицательный показатель преломления. Что это значит, можно увидеть на рисунке на примере карандаша, опущенного в воду. Например, милиционеру, измеряющему радаром скорость движения приближающейся машины в воздухе с отрицательным показателем преломления, показалось бы, что она едет по встречной полосе, то есть отдаляется.

В природе такие материалы не встречаются. Теоретически они были предсказаны еще в 1967 году Виктором Георгиевичем Веселаго, а сегодня на основе метаматериалов создаются, например, «плащи-невидимки» и прообразы «суперлинз».

Группе Дурду Гани, профессора электрической и компьютерной инженерии Мичиганского технологического университета, удалось сделать важнейший шаг в создании реальной «суперлинзы», в которую будут видны объекты размером 100 нм. Результаты своей работы они представили в статье в журнале Physical Review B.

Для создания «суперлинз» используются тончайшие металлические пленки со специальной структурой на нанометровом уровне. При возбуждении электрическим полем электронный газ в металле собирает свет, отражающийся от объекта, и преломляет его так, как среда с отрицательным показателем преломления.

Такой линзе удается преодолеть дифракционный предел: линза Гани «видит» объекты размером в одну тысячную толщины человеческого волоса.

Исследователям из других групп также удавалось преодолеть дифракционный предел, но лишь для некоторых длин волн видимого света (он представляет собой смесь излучения разной частоты). Группе Гани удалось достичь покрытия всего диапазона: его метаматериалы «растягиваются», преломляя световые волны от инфракрасных до ультрафиолетовых.

Изготовление таких «суперлинз» относительно недорого, и они компактны, что позволяет надеяться на их внедрение в мобильные устройства, например, сотовые телефоны. «С мощным микроскопом каждый может стать ученым! Представьте, вы загружаете фото своих клеток на Facebook» (владелец компания Meta признана в России экстремистской и запрещена), — убеждает автор работы.

Их также можно использовать в литографии — процессе, используемом для нанесения электронных микросхем.

«Линза определяет размер детали, которую можно нанести. С заменой обычных линз на «суперлинзы» можно наносить более тонкие схемы более дешево. Фактически снимается ограничение на размер наносимых схем», — подчеркнул Гани.

Сегодня чипы для компьютеров создаются с помощь ультрафиолетовых лазеров, дорогостоящих и сложных. «Суперлинза» позволить заменить их на самые простые и дешевые красные лазеры, как в лазерных указках.