Поляризация света помогла обойти дифракционный предел и точно измерить положение наночастицы

Поляризация света помогла обойти дифракционный предел и точно измерить положение наночастицы

Физики из Германии предложили использовать электромагнитные волны с азимутальной поляризацией, чтобы преодолеть дифракционный предел и точно измерить положение наночастицы на стеклянной подложке. Наблюдая за рассеянием таких волн на сферической частице, ученым удалось зафиксировать смещение величиной всего 0,3 нанометра, хотя длина волны превышала 500 нанометров. Статья опубликована в Physical Review Lettes, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Если вы попытаетесь сфокусировать электромагнитное излучение с помощью линзы или искривленного зеркала, вы получите пятнышко света, имеющее конечный диаметр. Из-за того, что свет имеет волновую природу, диаметр этого пятнышка не может быть меньше длины волны (точнее, длины волны, деленной на показатель преломления среды). Впервые это условие, которое в настоящее время называют дифракционным пределом, обнаружил в 1873 году немецкий оптик Эрнст Аббе. Дифракционный предел ограничивает размеры компонент микросхем, которые изготавливаются методом фотолитографии, а также не позволяет разглядеть в оптический микроскоп вирусы (за исключением нескольких гигантских вирусов) и другие объекты с характерным размером менее одного микрометра.

Тем не менее, дифракционный предел можно обойти, если специальным образом подобрать параметры электромагнитной волны, падающей на объект. В 1983 году американский физик Мильтон Керкер (Milton Kerker) теоретически рассмотрел рассеяние плоской электромагнитной волны сферической частицей (диполем Гюйгенса), диаметр которой был много меньше длины волны, и обнаружил, что такое рассеяние приводит к вполне наблюдаемым на практике эффектам. Оказалось, что при правильно подобранном соотношении между электрическим и магнитным дипольным моментом волна может рассеяться очень несимметрично — например, вся ее энергия направлена по движению, а отраженных волн не возникает. Отталкиваясь от этой идеи, в 2016 году группа ученых под руководством Питера Банцера (Peter Banzer) предложила способ, позволяющий измерять положение наночастицы, диаметр которой в несколько раз меньше длины волны оптического излучения. Для этого ученые теоретически рассчитали, как смещение частицы влияет на профиль рассеяния радиально поляризованной волны. По теоретическим оценкам ученых, точность этого метода могла достигать всего нескольких ангстрем(10−10 метра) при длине волны порядка 500 нанометров.

В новой работе та же группа ученых описала усовершенствованный метод, а затем проверила его в прямом эксперименте. На этот раз физики рассматривали не только радиально, но и азимутально поляризованные лазерные пучки. В радиальном пучке вектор напряженности электрического поля направлен по радиусу от оси пучка, а в азимутальном — перпендикулярно радиусу, то есть вдоль окружности с центром на оси пучка. Используя обобщенную теорию Ми, исследователи смоделировали рассеяние каждого типа волн на кремниевой сфере диаметром чуть больше 150 нанометров, покрытой слоем из оксида кремния толщиной около шести нанометров. Электрический и магнитный дипольный момент такой частицы пропорционален напряженности электрического и магнитного поля соответственно, а квадрупольным и более высокими моментами можно пренебречь. Когда такая частица находится строго в центре пучка, волна рассеивается на ней симметрично. Однако стоит частице немного отойти от центра, в профиле рассеяния появляется асимметрия, которая достигает максимального значения тогда, когда фазы электрического и магнитного поля волны отличаются на одну четвертую периода. Для радиально поляризованных волн асимметрия максимальна при длине волны около 630 нанометров, для азимутально поляризованных волн — при длине около 545 нанометров. Кроме того, при одинаковом смещении азимутальные волны создают менее симметричный профиль, то есть их удобнее использовать для определения положения частицы. Затем ученые проверили свои расчеты, рассеивая электромагнитные волны с радиальной и азимутальной поляризацией на настоящей кремниевой наночастице частице. Для этого исследователи помещали наночастицу на стеклянную подложку и отодвигали ее от центра волны с шагом около 10 нанометров. Интенсивность рассеянного света ученые измеряли с помощью обычной ПЗС-камеры. Оказалось, что эксперимент довольно хорошо согласуется с теорией, хотя асимметричность волн около критических значений и оказалась немного ниже ожидаемой. Вероятно, эти отклонения возникли из-за влияния стеклянной подложки на рассеяние волн.

Наконец, физики показали, что с помощью этого метода можно очень точно отслеживать положение наночастицы. Для этого они несколько раз перемещали частицу по квадратной области размером 40×40 нанометров с шагом около двух нанометров. Для каждого положения частицы исследователи снимали радиальное распределение интенсивности рассеянного света с выдержкой около одной миллисекунды, а затем вычитали друг из друга картины, полученные для различных положений частицы. Поскольку эксперимент проводился при комнатной температуре, на положения частицы накладывался температурный шум, который не позволял механически определить ее положение с точностью выше 4 нанометров. Поэтому ученые получили набор пар, в которых частица находилась на расстоянии как нескольких нанометров, так и нескольких десятых нанометра — в последнем случае ученые сравнивали пары, координаты которых при идеально точном позиционировании были бы в точности равны. Тем не менее, разница между распределениями интенсивности позволяла измерить разницу координат в таких парах. В частности, ученым удалось различить частицы, удаленные друг от друга примерно на 3 ангстрема, с погрешностью всего 0,6 ангстрема.

Авторы статьи считают, что с помощью описанного ими эффекта можно улучшить оптические пинцеты, а также системы стабилизации и позиционирования в микроскопии и нанометрологии. Кроме того, он позволяет точно и сравнительно быстро отслеживать перемещения частиц в наноскопических системах.

Помимо метода, разработанного учеными, существует множество других способов обойти дифракционный предел. Например, для этого можно использовать миниатюрные зонды в виде золотой пирамидки, «подкрашивать» материал наночастицами, которые работают в качестве лазеров, или преобразовывать свет в поверхностные электромагнитные волны с помощью нанофотонных компонент на основе меди. Еще один элегантный способ заключается в использовании метаматериалов — материалов, которые состоят из большого числа повторяющихся макроскопических структур (например, столбиков).

В марте этого года британские физики предсказали «двуликий диполь Януса» — нанофотонное устройство, которое падающие на него волны при одной ориентации, но усиливает их при изменении ориентации на противоположную. Как и при рассеянии Керкера, в этом процессе важную роль играет поляризация падающих волн.

N+1

Похожие новости:
Физики впервые увидели «отрицательное» преломление электронов
Физики из США и Японии впервые напрямую «увидели» преломление электронов под отрицательными углами — явление, аналогичное поведению света в средах с отрицательным коэффициентом преломления. Необычный физический эффект наблюдался в графене, слое графита толщиной в один атом. По словам ученых, с его помощью можно ..
2016-10-11 1980 0 Научные открытия
0
Черные дыры обошли теоретический предел яркости
Астрофизики из США и Австралии обнаружили, что количество энергии, которая вырабатывается веществом, падающим на черную дыру, может превышать так называемый теоретический предел Эддингтона. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем пишет New Scientist. Выводы авторов основаны на долговременных наблюдения за черной дырой ..
2014-02-28 1838 0 Научные открытия
0
Обратимость времени помогла создать сверхточную «квантовую линейку»
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАН и Института оптики (Париж) разработали методику получения особых запутанных многофотонных состояний. Как сообщает пресс-релиз РКЦ, поступивший в редакцию N+1, они могут найти применение для сверхточного измерения расстояний. При дистанциях в сотни ..
2016-06-21 1807 0 Научные открытия
0
Физики вплотную приблизились к стандартному квантовому пределу
Ученым из Калифорнии в своих измерениях удалось наиболее близко приблизиться к значению стандартного квантового предела. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Science, кратко с ним можно ознакомиться на сайте Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Физикам впервые удалось добиться ..
2014-06-28 1601 0 Научные открытия
0
Названо время окончания темных веков во Вселенной
Международная группа ученых из США и Китая выяснили, что когда возраст Вселенной составлял 800 миллионов лет, в ней формировались небольшие галактики с активным звездообразованием. Начало этого процесса совпало с окончанием темных веков — периода, когда в космосе отсутствовали яркие источники света, ..
2017-07-14 19214 0 Научные открытия
0
Скорость света рассчитали в пространстве с двумя временными измерениями
Астрофизик Кристоф Кон из Датского технического университета рассчитал скорость света в пространстве с пятью измерениями, два из которых являются временными. Препринт исследования находится в распоряжении редакции «Ленты.ру».Расчет ученого, по его словам, позволяет продемонстрировать, каким образом скорость света в четырехмерном пространстве-времени ..
2016-12-11 3825 0 Научные открытия
0
Новый эффект Доплера позволит следить за вращением плазмы и молекул
Исследователи из Германии и Великобритании впервые экспериментально зарегистрировали вращательный доплеровский сдвиг в нелинейном оптическом режиме. Ученые полагают, что их наблюдения помогут создать методы, с высокой точностью определяющие характеристики вращения молекул, жидкостей и плазмы, а также исследовать магнитные и оптические свойства различных материалов. ..
2016-03-28 1801 0 Научные открытия
0
Физики рекордно сжали свет
Физики из Института гравитационной физики (Университет Лейбница) добились рекордного сжатия квантового состояния света. Ученые добились уменьшения флуктуаций амплитуды в 32 раза по сравнению со значениями флуктуаций в традиционных измерениях. Это в полтора раза улучшает предыдущий рекорд. Подобные сжатые ..
2016-09-08 1821 0 Научные открытия
0
Физики обошли стандартный квантовый предел
Исследователи смогли повысить чувствительность гравитационной антенны, обойдя одно из накладываемых квантовой механикой ограничений. Фундаментальные законы физики при этом нарушены не были, ученые использовали свет в так называемом сжатом состоянии. Подробности приводятся в статье Nature Photonics. Физики смогли ..
2013-08-2 1785 0 Научные открытия
-1
Физики снизили скорость света
Британские физики сообщили о наблюдении фотонов, которые перемещаются в вакууме со скоростью, меньшей чем скорость света. О результатах своих экспериментов ученые сообщили в журнале Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте New Scientist. Скорость света в вакууме является фундаментальной физической ..
2015-01-24 2643 0 Научные открытия
0
Ученые провели опыты над фотонами света
До недавнего времени рекордное количество запутанных квантовых измерений фотонов равнялось 11, но группе учёных из Institute for Quantum Optics and Quantum Information под руководством Антона Зеилингера и Марио Крена удалось увеличить данный рекорд почти в 10 раз. Их работа поможет в обеспечении ..
2014-04-07 2012 0 Научные открытия
-3
Физики получили первое экспериментальное свидетельство двулучепреломления в вакууме
Ученые из Италии, Польши и Великобритании предположительно нашли первое свидетельство необычного квантового эффекта — двойного лучепреломления света в вакууме под воздействием сильных магнитных полей вблизи нейтронной звезды RX J1856.5-3754. По мнению авторов, экспериментальное наблюдение этого эффекта является прямым доказательством ..
2016-12-08 2485 0 Научные открытия
0
Найдена ошибка расчетов относительно скорости нейтрино
Уже прошло больше 3х недель, после того как ученые заявили о том, что нейтрино преодолел скорость света. Данное открытие породило массу слухов и споров. Естественно, что признание данного открытия верным, полностью поставит крест на известной всеми теории относительности ..
2011-10-27 3244 2 Научные открытия
1
Зарегистрирован эффект Доплера у вращающихся тел
Физики из Великобритании продемонстрировали эффект Доплера при отражении света от вращающегося объекта. Причем ось вращения может быть параллельна направлению падающих лучей света. Ключевую роль в явлении играет орбитальный угловой момент, или закрученность света. Подробности приведены в журнале ..
2013-08-2 2067 0 Научные открытия
-1
В США увидели «твердый» свет
Ученые из США и Швейцарии сумели продемонстрировать корпускулярные свойства света. «Твердый» свет, наблюдаемый специалистами в лаборатории в США, открывает большие возможности для исследований в области квантовой оптики и физической кинетики. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Reviev ..
2014-09-10 2209 0 Научные открытия
-1