Изследователи са успели да ограничат светлината до пространство с размер един атом, възможно най-малкото. Това ще проправи пътя към ултра малки оптични превключватели, детектори и сензори. Изследването е публикувано в Science.
Светлината може да служи като ултрабърз комуникационен канал, например между различни секции на компютърния чип. Може също да се използва и за ултрачувствителни сензори или лазери с наночастици. Понастоящем има много изследвания как да се намалят още устройствата, които контролират и направляват светлината.
Изследователите вече са установили, че металите могат да компресират светлината под дължината на вълната ѝ (дифракционна граница), но по-голямото свиване винаги е свързано повече загуби на енергия. Този основен проблем сега е преодолян.
"Графенът продължава да ни изненадва - никой не мислеше, че ограничаването на светлината до едноатомната граница е възможно. Това ще отвори съвсем нови приложения, като например оптични комуникации и наблюдение в мащаб под един нанометър ", каза проф. Франк Копенс в ICFO - Института по фотонни науки в Барселона, Испания, който ръководи изследването. В екипа влизат също изследователи от Университета в Миньо (Португалия) и MIT (САЩ) и от Graphene Flagship.
Учените използвали двумерни материали, наречени хетероструктури, за изграждане на ново нанооптично устройство. Върху графеновия монослой (който действа като полупроводник) нанесли монослой хексагонален борен нитрид (hBN) (изолатор), а върху него поставили масив от метални пръчки. Използването на графен е заради плазмоните - осцилации на електроните, силно взаимодействащи със светлината. Така достигнали изумителния резултат - светлина, "притисната" в постранство. колкото един атом. Това е в пъти по-малко от всичко, съществуващо до момента в тази област на технологиите и науката. Размерът на атомите за от 0.1 до 0.5 нанометра, а досегашното постижение в преминаването на дифракционната граница е около 100 нанометра (1 нанометър e 0.001 микрона)...
Дифракционната граница
През 1873 година Ернст Аббе съобщава в своя вестник, че най-малкото различимо разстояние между две точки, при ползването на конвенционален микроскоп никога не би могло да бъде по-малко от половината от дължината на вълната. Той се опитва да обясни математически, че разделителната способност (резолюцията) е ограничена от дифракцията, разполовявайки светлинната вълна, модифицирана от рефлексния индекс и ъгъла на пречупване на светлината.
Аббе извежда уравнение, чрез което хората могат да подобрят пространствената резолюция, използвайки светлинни вълни с по-малка дължина (например ултравиолетови).
Математическите основи на формирането на изображението на Аббе осигуряват правилното конструиране на микроскопските обективи. Прозренията на Аббе значително увеличават качеството на микроскопската оптика, която от своя страна допринася значително за по-доброто събиране на данни и засиления потребителски интерес към микроскопите. Ернст Аббе си сътрудничи с Карл Цайс в проектирането на лещи и оказва огромно влияние за успехите на компанията за производство на микроскопи "Carl Zeiss".
Работата на Аббе установява физическа граница на изображенията за дълъг период от време. Много малко хора след него са правили опити да доразвият и преодолеят ограниченията на дифракционната граница, въпреки необходимостта от подобряване на резолюцията и визуализацията на клетъчната структура. Впоследствие са разработени други техники за подобряване на тези недостатъци и вместо с фотони, микроскопите започват да работят с електрони.
Но времената се менят и днес вече имаме първия лазер с наноразмери (44 микрона).
Има няколко метода, които могат да разграничат обекти по-малки от половината от дължината на вълната на видимия спектър, наречени микроскопия със свръхвисока резолюция. Всички те успяват да работят в съответствие с концепцията за дифракционна граница - минималният размер на светлинното петно, което може да се получи, като се фокусира електромагнитно излъчване. Съвсем наскоро откритият метод със структурирано осветление - SIM, преодолява тази граница през 2015 год. и показва изображения на живи клетки, митохондрии, ензими в действие. В оригиналния метод за осветяване на пробата се използва интерференчна картина, създавана с помощта на лазерен лъч и дифракционна решетка. Вътре в пробата се намират различни флуорофори, които светят под въздействието на лъчението. В резултат на налагане и обработка на изображения, заснети при различни ъгли на въртене на решетката и сместване, учените са получили изображения с резолюция до 100 нанометра - два пъти по-добри от дифракционната граница.
