超阿贝极限达20纳米！双曲超材料可实现纳米级“指纹识别”！

博科园：本文为光学与光子学类

双曲超材料是一种人工制造的结构，可以通过在基体上沉积交替薄层的导体(如银或石墨烯)而形成。它们的一种特殊能力是支持一束非常窄的光束传播，这种光束可以通过在其表面放置纳米颗粒并用激光束照射来产生。在实践中实现未知和任意对象的亚波长图像是极具挑战性，但是正如密歇根大学和普渡大学的研究人员在APL光子学期刊上所报道的那样，在已知该对象的某些信息时，并不总是需要获得完整的图像。密歇根大学的西奥多·b·诺里斯(Theodore B. Norris)说：我们日常生活中常见的一个例子就是指纹。

指纹识别系统不需要获得完整的高分辨率指纹图像，只需要识别它。因此，合著者之一的Evgenii E. Narimanov开始思考，是否可以在不需要获得完整图像的情况下识别纳米尺度级别的物体？双曲超材料中光束传播方向取决于光的波长。通过扫过入射光的波长，窄光束将扫描底部双曲超材料及其空气界面。如果纳米物体被放置在底部界面附近，它们就会散射光线;当窄波束指向它们时，这种散射最强。密歇根大学(University of Michigan)研究生黄正宇(音译)表示：我们可以使用光电探测器测量散射光功率，并绘制出散射光功率与入射光波长的关系图。

这种图形通过图形中散射峰的波长编码关于纳米物体的空间信息，并通过峰值高度编码它们的物质信息。这张图就像一个“指纹”，让研究人员能够确定底部纳米物体相对于顶部纳米粒子的距离，以及两个纳米物体之间的分离和物质组成。在过去的十年中，通过光学技术进入纳米级世界一直是光学领域中最活跃的前沿领域之一。传统显微镜的分辨率受到光波长限制，使用传统的显微镜，我们能分辨出的最小特征是可见光的250纳米左右，这也被称为Abbe极限。

超越这一限制并解决较小的特性将需要一些高级技术，大多数都是成像方法，用包含感兴趣的物体的图像作为测量。但研究工作并没有遵循成像方法，而是展示了一种通过‘指纹’过程获取微观世界空间和物质信息的新途径。值得注意的是，它可以分辨两个相距仅20纳米的物体——远远超过阿贝极限。研究可能会在生物分子测量中找到潜在的应用，人们感兴趣的是通过纳米尺度分离来确定两个生物分子之间的距离，例如，这可以用来研究蛋白质之间的相互作用。该方法也可以用于工业产品监测，以确定纳米结构零件是否按规格生产。

阿贝极限-参考百科：19世纪末德国物理学家恩斯特·阿贝指出：光学显微镜分辨率的极限，大约是可见光波长的一半。可见光中波长最短的是蓝紫光，其波长在0.4微米左右。因此，如果两点之间的距离小于0.2微米，我们将无法分辨出这是两个点。这就是通常所说的“阿贝极限”。阿贝极限使我们无法更加深入地了解微观世界，例如病毒的直径通常就在0.02~0.3微米，无法用已有的光学显微镜观察清楚。

博科园-科学科普｜研究/来自: 美国物理学会

参考期刊文献:《APL Photonics》

DOI: 10.1063/1.5079736

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