Ученые научились преодолевать дифракционный предел оптического микроскопа, а сибирские ученые пошли еще дальше и создали «фотонный крючок».
Фото: Юрий Мартьянов, Коммерсантъ / купить фото
Оптический объектив микроскопа имеет длинную историю. Примерно в XI веке в арабском мире плоско-выпуклые линзы из полированного берилла использовались в качестве устройств для чтения рукописей. Внимание ученых прозрачные сферические частицы привлекли более двух тысячелетий назад. Например, люди знали, что нельзя поливать растения в солнечный день, так как маленькие капли воды на листьях могут вызвать их ожог. Древние греки заполняли стеклянные колбы водой, чтобы получить линзы. Английский епископ Роберт Гроссетест (1175–1253) описал фокусирующие свойства сферической линзы (сферический стеклянный сосуд, заполненный водой). В последнее десятилетие XVI века Ганс и Захарий Янсены изобрели микроскоп, объединив две выпуклые линзы. Роберт Гук был первым, кто опубликовал фундаментальную работу по микроскопии. Это случилось примерно в 1664 году.
Гук описал изготовление маленьких сфер путем нагрева конца тонкого стекловолокна, а позже Гюйгенс и ван Левенгук использовали маленькие сферы, которые были сделаны путем нагрева маленького кусочка стекла на острие иглы. Изобретение оптического микроскопа позволило ван Левенгуку увидеть небольшие объекты, бактерии и клетки крови, или анималькули. Так он совершил революционный прорыв в науке.
Еще Фрэнсис Бэкон рассуждал об «идоле рода» — ограниченных возможностях человеческих органов чувств, мешающих познать мир в полной мере… Человек смог частично компенсировать эти недостатки с помощью микроскопов, но до определенных пределов. Как сами микроскопы, так и линзы постоянно совершенствуются для повышения качества изображения и увеличения оптического разрешения. Но разрешение классических оптических микроскопов ограничено дифракцией и не может превышать половину длины волны используемого излучения. Одним из методов улучшения разрешения микроскопа является использование диэлектрической микрочастицы с размером порядка длины волны используемого излучения в качестве суперлинзы.
В 2000 году Борис Лукьянчук (из Сингапурского института хранения данных) показал, что при рассеянии света на диэлектрической микросфере (микроаналог сферической линзы) область фокусировки необычно вытягивается, это внешне похоже на струю света с очень малым размером в поперечном направлении. Позднее аналогичные исследования провели американские коллеги и ввели термин «фотонная наноструя».
Эффект с успехом был применен для повышения разрешения оптических микроскопов. Такая система получила название наноскопа и была предложена в 2011 году группой ученых под руководством Бориса Лукьянчука и его ученика Зенгбо Ванг. Хотя фактически это обычный микроскоп, принцип его работы — новый: в таком микроскопе добавляется маленькая сфера, изготовленная из прозрачного стекла, она помогает получить суперизображение, а затем это изображение увеличивает обычный оптический микроскоп. То есть добавляется маленькая сферическая частица, играющая роль дополнительной «суперлинзы», собирающей так называемые эванесцентные (затухающие) волны, существующие только вблизи границы этой частицы. Эти волны ближнего поля не ограничены дифракционным пределом и поэтому способны формировать изображение с очень высоким разрешением. Затем такая частица-«суперлинза» улавливает эти эванесцентные волны и «переправляет» их в объектив стандартного оптического микроскопа.
Сферические частицы диаметром 2–9 мкм фокусируют излучение непосредственно на своей теневой поверхности и позволяют получить пространственное разрешение порядка 50 нм. Мы показали, что такие микрочастицы-линзы могут иметь произвольную форму: кубическую, коническую, цилиндрическую и т. д.
Но толщину «фотонной струи» нельзя сделать меньше, чем треть от длины самой короткой волны видимого света. Это мешает наноскопам видеть очень маленькие объекты, например вирусы и мелкие археи.
Встает вопрос: в наноскопе достигнуто предельное разрешение или существуют методы, позволяющие его улучшить? В литературе рассмотрено несколько методов дальнейшего повышения разрешающей способности микрочастиц. Например, китайские коллеги исследовали поверхностное наноструктурирование микросфер — в виде концентрических колец, аподизацию непрозрачной маской. Наши исследования были основаны на эффекте аномальной аподизации: улучшение разрешения происходит одновременно с увеличением интенсивности поля в фокальном пятне.
В другом варианте в микросфере для наноскопа мы сделали углубление по размеру меньше длины волны, и электромагнитное поле стало локализоваться в нем. За счет эванесцентных волн вблизи поверхности микросферы разрешение будет определяться диаметром углубления и не будет зависеть от длины волны: чем меньше диаметр отверстия, тем выше разрешение.
Такие микросферы с углублением представляют интерес не только для оптической микроскопии, но и для нанолитографии, синтеза новых материалов, оптических ловушек, наномодификации поверхности и других областей. Следует отметить, что рассматриваемый новый нанофотонный эффект в некоторой степени аналогичен эффекту сканирующей оптической микроскопии с ближней апертурой поля, в которой излучение поверхностной волны передается от субволновой апертуры на конце оптического волокна с металлическим покрытием.
Другим направлением исследований в области оптической микроскопии и манипуляции нанообъектами, включая биологические, стал открытый нами эффект «фотонного крючка»— это новый тип искривленного (самоускоряющегося) светового луча, по форме напоминающего крючок. До обнаружения «фотонного крючка» науке был известен лишь один тип «кривых» лучей — пучки Эйри и их производные. Их впервые получили в 2007 году в Университете Флориды. Их получение — дело трудоемкое, нужно сложное оборудование.
«Фотонный крючок» получить несравнимо проще. Эффект основан на взаимодействии плоской волны с диэлектрической частицей с нарушенной симметрией. Упрощенно говоря, из-за такой специфической формы в частице неравномерно изменяется время полной фазы колебаний оптической волны. В итоге на выходе из частицы получается искривленный световой пучок. «Фотонный крючок» обладает уникальными свойствами — например, наименьшей кривизной из всех когда-либо наблюдавшихся искривленных пучков. Она меньше используемой длины волны. Искривление электромагнитных волн с таким маленьким радиусом было описано впервые. Это открывает новые горизонты для оптики со сверхразрешением.
Используя «фотонный крюк», можно не только улучшить разрешение оптических сканирующих систем, но и создать оптомеханический манипулятор для управления движением наночастиц, отдельных клеток, бактерий и вирусов по искривленной траектории вокруг прозрачных препятствий. Это возможно за счет радиационного давления и градиентной оптической силы. Так можно делать микрореакторы на чипах и исследовать вирусы, бактерии, отдельные клетки или даже молекулы ДНК.
Интересно отметить, что, согласно нашим исследованиям, тот же эффект наблюдается как в свободном пространстве, так и для поверхностных плазмонных волн.
В заключение приятно отметить, что в последнем номере (2019) журнала Nature Photonics, опубликованного в день нашего рождения, вышла заметка о наших исследованиях, в которой фактически признается приоритет российской научной школы в этой области.
Но эти и другие исследования не закончены, заложены только основы, и глубокие исследования, в том числе по практическому применению новых эффектов, еще впереди.
На разных этапах работ к участию в исследованиях привлекались различные российские и иностранные группы коллег, все они указаны в соответствующих публикациях.