Una delle sfide della microscopia ottica è aumentare continuamente la potenza di imaging, o risoluzione. Negli ultimi trecento anni dispari, gli scienziati hanno costruito microscopi sempre migliori. Il limite, per molto tempo, è stata determinata da due soli fattori:il contrasto dell'oggetto che si sta osservando, e il potere risolutivo dell'ottica nel microscopio. Gli ultimi 50 anni, in particolare, hanno portato a un'esplosione di tecniche per migliorare sia il contrasto dell'oggetto che la qualità dell'ottica.

Una di queste tecnologie è chiamata superlente. La superlente sfrutta alcune delle peculiarità delle onde per poter risolvere dettagli che altrimenti sarebbero nascosti alla vista. Ora, i ricercatori della Nanjing University in Cina hanno pubblicato i risultati su una matrice di guide d'onda che offre molti dei vantaggi di una superlente. Insieme a quello, l'array di guide d'onda non ha le difficoltà tecnologiche che sono solitamente associate alla fabbricazione di superlenti.

Quella lente è super

Per capire la superlente, aiuta a capire come si forma un'immagine. Cominciamo con qualcosa come la testa di uno spillo su uno sfondo senza caratteristiche. Quando la luce brilla sul perno, si disperde in tutte le direzioni. I dettagli dell'immagine sono mantenuti nell'intensità e nelle direzioni in cui la luce viene diffusa. Però, le lenti hanno una dimensione limitata, limitare la quantità di luce catturata. L'immagine che viene ricostruita dalla luce catturata dall'obiettivo non avrà i dettagli trasportati dalla luce che non ha mai raggiunto l'obiettivo. La nostra immagine è imperfetta.

Per le migliori caratteristiche, non esiste un angolo in cui un obiettivo può catturare la luce, perché la luce non viaggia. Anziché, l'onda muore rapidamente (in modo esponenziale), ed entro poche lunghezze d'onda, l'intensità è molto vicina allo zero. una lente, con una distanza di lavoro tipica di un microscopio, non catturerà queste cosiddette onde evanescenti.

Una super lente è progettata per catturare queste onde evanescenti che trattengono i dettagli. Per abilitarlo, la lente deve essere costruita da un metamateriale che ha un indice di rifrazione negativo (i materiali normali hanno un indice di rifrazione positivo). Però, i metamateriali non sono facili da realizzare, e non funzionano bene. La maggior parte della luce che colpisce una superlente viene riflessa da essa, mentre internamente, le sostanze utilizzate per creare il metamateriale assorbono molta luce. Quindi, l'obiettivo cattura i dettagli fini, ma il contrasto dell'immagine è scarso.

È qui che entra in gioco il lavoro di Song e dei suoi collaboratori. La loro lente è costituita da una serie di guide d'onda posizionate molto vicine l'una all'altra. Ogni guida d'onda cattura la luce proprio davanti all'apertura della guida d'onda. La luce viene trasportata all'altra estremità della matrice di guide d'onda, dove viene utilizzato (in linea di principio) per ricreare un'immagine.

Controllo del flusso in guida d'onda

Le guide d'onda ravvicinate non trasportano le immagini. Quando le guide d'onda sono vicine tra loro, la luce scorre da una guida d'onda all'altra. Un'immagine sarà completamente randomizzata se trasportata in una fitta matrice di guide d'onda.

Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno sfruttato il modo in cui funziona l'accoppiamento tra le guide d'onda. Nelle guide d'onda parallele diritte, l'accoppiamento tra gli array può essere rappresentato da un numero positivo fisso. Questo numero fornisce la frazione di luce che scambia le guide d'onda in funzione della distanza. Però, se le guide d'onda sono parallele, ma si snoda come un'onda, allora l'accoppiamento può essere negativo.

Per essere più concreti:immagina due guide d'onda vicine e diritte. La luce entra in una guida d'onda e si diffonde alla seconda ad una velocità data dalla costante di accoppiamento. La luce poi entra nel meandro, che ha un coefficiente di accoppiamento di uguale dimensione, ma è negativo. Questa sezione annulla esattamente la diffusione in modo che tutta la luce esca dalla stessa guida d'onda in cui è entrata.

I ricercatori hanno dimostrato questo effetto con una serie di 13 guide d'onda. Hanno mostrato che la luce sarebbe uscita costantemente dalla guida d'onda in cui era accoppiata, nonostante il forte mescolamento nel tratto rettilineo.

Questo è solo l'inizio della storia. Le immagini possono essere costruite scansionando l'array di guide d'onda. La risoluzione può essere ulteriormente aumentata riducendo l'apertura delle guide d'onda.

La struttura dimostrata ha altri usi. I circuiti ottici integrati per l'informatica e le comunicazioni sono, rispetto ai sistemi elettronici, grande. La spaziatura è dettata dalla necessità di controllare l'accoppiamento tra guide d'onda adiacenti. Questa ricerca mostra come avere guide d'onda ad alta densità senza accoppiamenti indesiderati. Alla fine, che potrebbero trovare applicazioni più diffuse dell'imaging ad alta risoluzione.