没有超级透镜的超透镜 物理学家推动显微镜超越极限

科学家们利用一种新的超透镜技术，通过虚拟后观测技术来观察一个仅有 0.15 毫米宽的物体。天体 "THZ"（代表所使用的 "太赫兹 "光频）显示了最初的光学测量结果（右上角）、正常透镜后的结果（左下角）和超透镜后的结果（右下角）。资料来源：悉尼大学

自十七世纪末安东尼-范-列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）通过显微镜发现细菌世界以来，人类就一直试图深入探究无限小的世界。

然而，使用传统光学方法对物体进行近距离观察是有物理限制的。这就是所谓的衍射极限，是由光表现为波这一事实决定的。这意味着聚焦的图像永远不会小于用来观察物体的光波长的一半。

用 "超级透镜 "打破这一极限的尝试都遇到了视觉损失极大的障碍，使透镜变得不透明。现在，悉尼大学的物理学家们展示了一种新的途径，以最小的损耗实现超透镜，将衍射极限突破了近四倍。他们成功的关键在于将超透镜完全移除。

这项研究发表在《自然-通讯》上。

研究人员说，这项工作应能让科学家们进一步改进超分辨率显微镜。它可以推动癌症诊断、医学成像、考古学和法医学等不同领域的成像技术。

这项研究的主要作者、悉尼大学物理学院和悉尼大学纳米研究所的亚历山德罗-图尼斯博士说："我们现在已经开发出了一种不用超级透镜就能实现超透镜成像的实用方法。为此，我们将光探针放置在远离天体的地方，同时收集高分辨率和低分辨率的信息。通过在更远的地方进行测量，探针不会干扰高分辨率数据，这也是以前方法的一个特点"。

以前的尝试试图使用新型材料制造超级透镜。然而，大多数材料都会吸收过多的光线，使超级透镜无法发挥作用。

Tuniz博士说："我们克服了这一问题，在测量本身之后，在计算机上将超级透镜操作作为一个后处理步骤。这样，通过选择性放大蒸发（或消失）光波，就能生成物体的'真实'图像。

共同作者、物理和悉尼纳米学院的鲍里斯-库尔梅（Boris Kuhlmey）副教授说："我们的方法可用于以更高的分辨率测定树叶中的水分含量，或用于先进的微加工技术，如对微型芯片完整性进行非破坏性评估。这种方法甚至可以用来揭示艺术品中隐藏的层次，也许在揭露艺术品伪造或隐藏作品方面会有所帮助。

通常情况下，超透镜尝试都试图紧紧抓住高分辨率信息。这是因为这些有用的数据会随着距离呈指数衰减，很快就会被低分辨率数据淹没，而低分辨率数据的衰减速度并没有那么快。然而，将探测器如此靠近天体会扭曲图像。
 

研究人员 Alessandro Tuniz 博士（右）和 Boris Kuhlmey 副教授在悉尼大学纳米研究所的悉尼纳米科学中心实验室。图片来源：Stefanie Zingsheim/悉尼大学

"Kuhlmey副教授说："通过将我们的探测器移到更远的地方，我们可以保持高分辨率信息的完整性，并利用观测后技术过滤掉低分辨率数据。

这项研究使用的是毫米波长的太赫兹频率的光，处于可见光和微波之间的光谱区域。

Kuhlmey 副教授说："这是一个非常难以操作的频率范围，但也是一个非常有趣的频率范围，因为在这个范围内，我们可以获得生物样本的重要信息，如蛋白质结构、水合动力学，或用于癌症成像。

Tuniz博士说："这项技术是实现高分辨率成像的第一步，同时与物体保持安全距离，不会扭曲你所看到的东西。我们的技术可用于其他频率范围。我们希望任何从事高分辨率光学显微镜研究的人都会对这项技术感兴趣。

参考资料
 

Subwavelength terahertz imaging via virtual superlensing in the radiating near field, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41949-5

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