Дифракционный беспредел

Пути преодоления дифракционного предела давно занимают умы учёных. Чаще всего об успехах в этой области рапортуют теоретики. Но и экспериментаторы, как правило, не могут толком объяснить, как они получили вожделенный эффект.

Пути преодоления дифракционного предела давно занимают умы учёных. Чаще всего об успехах в этой области рапортуют теоретики из известных университетов. В солидном журнале публикуется серьёзная статья с длинными формулами, описывающими хитрую конструкцию какой-нибудь очередной суперлинзы, которая позволяет сфокусировать свет в пятно много меньше половины длины волны. Обычно говорится, что учёные уже приступили к созданию прототипа, и если всё получится, то вскоре наступит революция во многих областях: от электроники и микроскопии до астрономии. Но чаще всего сделать описываемую конструкцию практически невозможно, или оказывается, что со знаменитым соотношением, открытым ещё в 1873 году немецким физиком Эрнстом Аббе, она не связана.

Иногда учёным действительно есть что показать «в железе». Правда, экспериментаторы, как правило, не могут толком объяснить, как они получили вожделенный эффект. Это глубоко философское противоречие хорошо известно. Зачастую то, что легко просчитать теоретику, трудно реализовать на практике, и наоборот — даже простые и хорошо работающие конструкции с трудом поддаются формальному описанию.

Фокусировку света в пятно меньше половины длины волны действительно можно наблюдать, но к классической оптике это отношения не имеет. Например, недавно была опубликована работа, в которой для преодоления дифракционного предела использовали запутанные фотоны. Вот только и здесь не обошлось без изрядной доли научного жульничества. Дело в том, что для получения пары запутанных фотонов обычно используют нелинейный кристалл, в котором один фотон преобразуется в пару запутанных с длиной волны вдвое больше, чем у исходного фотона. Затем эту пару сложили обратно во втором нелинейном кристалле, что тоже дело обычное. Так почему сразу было не использовать исходный фотон без всей этой псевдонаучной суеты?

Другой популярный способ обхода дифракционного предела основан на том, что в прозрачной среде с большим коэффициентом преломления длина световой волны становится меньше. Этот эффект давно используют в иммерсионной фотолитографии. Средой с большим коэффициентом преломления обычно служит очищенная вода, которую наливают на чип с фоторезистом. Но если вместо воды над поверхностью чипа разместить тонкую серебряную плёнку, то можно говорить о создании суперлинзы, позволяющей обходить дифракционный предел. Это ещё четыре года назад продемонстрировала команда из Калифорнийского университета в Беркли. Но на самом деле эффект примерно тот же, что и с водой. В плёнке серебра возбуждаются поверхностные плазмоны с меньшей длиной волны, которые с помощью нераспространяющихся, или запредельных (evanescent), волн передают энергию подложке.

Именно эти запредельные электромагнитные волны чаще всего служат средством для обхода дифракционного предела. О существовании таких волн, являющихся решением уравнений электродинамики Максвелла, известно давно. Ещё в тридцатые годы прошлого века их наблюдал академик Мандельштам, используя для этого довольно примитивное оборудование. Но поскольку запредельные волны быстро (на расстоянии порядка длины волны) затухают вблизи границы раздела сред, в классической оптике их обычно в расчёт не брали.

Проще всего преодолеть дифракционный предел, поместив тонкий слой металла с отверстием нужного диаметра у поверхности на расстоянии много меньше длины волны. Тогда небольшая часть падающего света пройдёт через отверстие и «засветит» нужный участок. Беда в том, что почти весь свет отразится от металла, поэтому использовать такой подход в фотолитографии затруднительно. Да и удержать подходящую маску площадью сотни квадратных сантиметров всего в нескольких десятках нанометров от поверхности пластины с чипами практически невозможно. Впрочем, это не мешает эффекту работать в сканирующей зондовой микроскопии ближнего поля, где вместо иголки используется остро заточенный световод.

В последние годы была потрачена масса усилий на то, чтобы как-то усовершенствовать этот способ. Были предложены хитрые комбинации из нескольких щелей разной длины, которые лучше фокусируют запредельные волны. Постоянно предлагаются всё новые конструкции суперлинз. Но о том, что линзу нужно размещать в нескольких десятках нанометров от объекта, новаторы предпочитают умалчивать. Недавно большой резонанс вызвала статья в журнале Nature — команда физиков из Южной Кореи и США предложила технологию выращивания миниатюрных пластиковых линз на подложке. По многим параметрам они оказались лучше своих конкурентов.

Однако чаще всего обещания преодолеть дифракционный предел с помощью суперлинз можно услышать от создателей так называемых метаматериалов с отрицательным показателем преломления. Их существование было предсказано ещё в 1967 году советским теоретиком Виктором Веселаго, а настоящий бум начался в начале текущего десятилетия, когда за дело взялись американцы. Но недавно российский физик Андрей Петрин строго доказал, что в дальнем поле обойти дифракционный предел с помощью метаматериалов принципиально невозможно. Так что им придется конкурировать с другими подходами в ближнем поле запредельных волн.

Из еженедельника "Компьютерра" № 38 (802)