双曲超材料实现纳米级的“指纹识别”

双曲超材料是人工制造的结构,可以通过在基底上沉积银或石墨烯等导体的交替薄层而形成。它们的一个特殊能力是支持非常窄的光束的传播,这种光束可以通过将纳米颗粒放在其顶面上并用激光束照射来产生。

在实践中实现未知和任意物体的亚波长图像是非常具有挑战性的,但是正如密歇根大学和普渡大学的研究人员在APL光子学杂志上报道的那样,从AIP出版的杂志上,当已知物体的某些情况时,并不总是需要获得完整的图像。

密歇根大学的西奥多·B·诺里斯说:“日常生活中一个常见的例子就是指纹。”“指纹识别系统不需要获得指纹的完整高分辨率图像,只需要识别它。”因此,合作作者之一的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级的物体。

光束在双曲超材料中的传播方向取决于光的波长。通过扫描入射光的波长,窄光束将扫描底部的双曲超材料及其空气界面。如果纳米物体靠近底部界面,它们会散射光;当窄光束指向它们时,这种散射最强。

密歇根大学的研究生黄振宇(音译)说:“我们可以用光电探测器测量散射光功率,并绘制散射光功率与入射光波长的关系图。”“这样的图通过图中散射峰的波长对纳米物体的空间信息进行编码,并通过峰的高度对其材料信息进行编码。”

该图起到了“指纹”的作用,研究人员可以通过指纹确定底部纳米物体相对于顶部纳米颗粒的距离,以及两个纳米物体之间的分离及其材料组成。

在过去的十年中,通过光学技术进入纳米世界是光学领域最受欢迎的前沿领域之一。“传统的显微镜在分辨率上受到光波长的限制,”黄说。用常规显微镜,我们能分辨的最小特征是可见光的250纳米,也就是阿贝极限。

超越这一限制,解决较小的功能将需要一些先进的技术。黄解释说:“大多数都是成像方法,以包含感兴趣对象的图像作为测量手段。”“但是,我们的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材料信息的新途径。”值得注意的是,它可以解决两个相距仅20纳米的物体——远远超出阿贝极限。

“我们的研究可能会在生物分子测量中找到应用,”黄说。例如,人们对通过纳米级分离来确定两个生物分子之间的距离感兴趣,这可以用来研究蛋白质之间的相互作用。我们的方法也可用于工业产品监测,以确定纳米结构零件是否按照规范制造。”

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