微米和纳米科技材料

光学显微镜超越衍射极限10倍分辨率达到30nm

研究人员改进了一种天然晶体光学材料,六方氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)。此前利用hBN分辨物体的最小分辨率大约比红外显微镜小36倍,差不多是小型细菌的尺寸(约0.5-1微米)。新文章报道,改进后晶体的潜在成像能力比之前最高水平大约提高了10倍!

光学显微镜超越衍射极限10倍分辨率达到30nm

“我们证明,透镜(hyperlenses)的固有成像效率限制可以通过同位素工程改造加以克服,”项目组成员、美国海军研究实验室的物理学家Alexander Giles说。“在纳米尺度操纵和聚焦光线,其困难程度绝对超乎想象,几乎不可能实现。但是,通过这项研究,我们发现同位素改造竟能提高材料和器件性能。”

多年来,科学家们开发出了许多仪器都具有纳米级分辨率成像能力,例如电子显微镜和原子力显微镜。但是,它们与活生物体并不相容,样品需暴露于有害辐射以及各种致命条件处理(如冷冻干燥等),而且需要在高真空条件下作业。

透镜技术与上述这些高分辨率显微术不同,只需要将样品暴露在低能光线(如红外光)覆盖得到的自然条件下,就能提供非常详细的活细胞图像。

光学显微镜超越衍射极限10倍分辨率达到30nm

长期以来,光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半,这被称为“阿贝分辨率”。如果实验中使用红外线,则“衍射极限”大概在3250纳米。此前,科学家们发现hBN能支持由光子和振动耦合光子组成的混合粒子“表面声子极化激元(surface phonon polaritons)”,因此晶体内的带电原子的实际波长比入射波长要短得多。但是,实验发现这样利用极化声子存在一个问题,它们消散速度太快。

在这项最新研究中,研究人员选用同位素分离的提纯硼制作hBN晶体。天然硼有两种同位素,二者质量相差约10%,虽然不易察觉,但细心比较后研究人员发现,混合了两种硼的晶体材料的光学特性显著下降。

通过计算,研究人员预测用纯硼制备的晶体透镜原则上能捕捉到30纳米尺寸的物体图像。一根头发直径约8万-10万纳米,人血红细胞约9千纳米,已知病毒约20至400纳米。如果计算正确,这意味着只需透过一块目镜,人类将能直接观察到小如病毒的物质活动!

为了证实推测,研究人员目前已经制备了一小片由纯同位素硼(纯度99%)打造的hBN晶体,相比天然晶体,该晶体的光学损失明显下降,意想不到的是极化声子寿命也提高了3倍,分辨率也得到显著改善。“我们现在用的是提纯hBN的小碎片,等我们做出更大的晶体后,相信结果还会更好,”Caldwell说。

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