革命性新型超光学显微镜可显示阿秒范围内的物理过程

由哈佛大学开发，并在格拉茨科技大学成功测试的革命性新型超光学显微镜，具有极高的空间和时间分辨率，已在格拉茨大学实验物理研究所的实验室测试中证明了其功能能力。

使用这种镜头的显微镜有望带来全新的研发方法，尤其是在半导体和太阳能电池技术方面。来自格拉茨和波士顿的研究小组目前正在《科学》杂志上报告这种新型元光学器件的构建和在实验室成功实验。

显微镜的镜头首次实现使用极紫外辐射成为可能。其极短的波长使其能够跟踪阿秒范围内的超快物理过程。例如，来自现代晶体管内部的实时图像或分子和原子与光的相互作用。

阿秒物理学使用极紫外光。由于这种光振荡很快，并且光学开发构建套件中的所有材料都对这种光不透明，因此直到现在还没有可用的成像系统。

哈佛大学基于这一理念开发并在格拉茨工业大学成功测试的镜头突破了这一极限。在极薄的硅片上精确计算出的小孔排列可以传导和聚焦入射的阿秒光。研究团队的一个显著观察结果是，由于孔洞覆盖的表面，这些真空隧道传输的光能超过了应有的水平。这意味着创新的超光学系统将紫外线吸入焦点。

直径几纳米的孔

这一突破需要极小且精确控制的结构。这已经接近当今技术上可行的极限。技术实施由哈佛大学的Federico Capasso团队完成，该团队在该领域处于世界领先地位，经过大约两年的实验阶段。 元光学器件由大约200纳米的薄膜组成，薄膜上刻有微小的孔结构。

整个镜头由数以亿计的孔组成；膜上每微米大约有十个这样的结构。单个孔的直径在20到80纳米之间。作为比较：人的头发大约有60到100微米厚，小病毒的直径为15纳米。孔的直径从膜的中心向外变化和减小。根据孔的大小，那里的入射光辐射会延迟，从而坍缩成一个微小的焦点。

激光遇到气体云

为了测量新型透镜，格拉茨工业大学实验物理研究所的Martin Schultze和Hana Hampel在产生必要的极紫外辐射方面拥有独特的专业知识。Martin Schultze 说：“可靠地产生高能量的短光脉冲需要精确控制光控原子过程和非常精确的光学设置。对于这个项目，我们开发了一种光源，它可以特别有效地产生这些超光学设计所针对的波长的辐射”。

在格拉茨的实验装置中，激光被聚焦到惰性气体射流中，可以产生极紫外辐射并集中在非常短的脉冲中。通过这种针对阿秒物理学优化的光源，证明了超光学的有效性。

下一步：采用超光学器件的显微镜

下一步是开发一种可以使用这种透镜的显微镜。Marcus Ossiander获得了ERC启动拨款，用于这项先进的研究工作和对吸光纳米颗粒的研究。继2020年Birgitta Schultze Bernhardt获奖后，这是格拉茨大学实验物理研究所在短时间内获得的第二个顶级研究奖。

阿秒显微镜这一新的研究领域可能有多种应用。半导体和太阳能电池技术尤其将受益于首次能够跟踪载流子在空间和时间上的超快运动的可能性。在现代晶体管和光电子电路中，相关过程发生在几纳米的空间扩展内和几阿秒的时间范围内。新的元光学将使人们能够观察这些信息技术的核心组件的工作情况，并进一步优化它们。





审核编辑：刘清