La nuova ricerca dell'ECE dell'Illinois sta facendo avanzare il campo della microscopia ottica, dando al campo un nuovo strumento fondamentale per risolvere problemi impegnativi in ​​molti campi della scienza e dell'ingegneria, tra cui l'ispezione dei wafer dei semiconduttori, rilevamento di nanoparticelle, caratterizzazione del materiale, biorilevamento, conteggio dei virus, e monitoraggio microfluidico.

La domanda viene posta spesso, "Perché non possiamo vedere o percepire oggetti su scala nanometrica sotto un microscopio ottico?" Le risposte da manuale sono che i loro segnali relativi sono deboli, e la loro separazione è inferiore al limite di risoluzione di Abbe.

Però, il gruppo di ricerca dell'Illinois ECE, guidato dal professor Lynford L Goddard dell'ECE dell'Illinois, insieme al postdoc Jinlong Zhu, e dottorato di ricerca studente Aditi Udupa, sta sfidando questi principi cardine con una struttura ottica nuova di zecca.

Il loro lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura apre nuove porte all'utilizzo della microscopia ottica per svelare problemi difficili che hanno un impatto sulla nostra vita quotidiana.

"Il nostro lavoro è significativo non solo perché fa avanzare la comprensione scientifica dell'imaging ottico, ma anche perché consente ai ricercatori di visualizzare direttamente oggetti senza etichetta che hanno profonde separazioni di lunghezze d'onda inferiori. Possiamo vedere la struttura su scala nanometrica senza eseguire alcuna post-elaborazione dell'immagine", ha affermato Goddard.

Le scoperte del team sono iniziate nel maggio 2018 quando Zhu e Goddard si sono imbattuti in un risultato notevole in una delle loro simulazioni. "Al tempo, stavamo conducendo uno studio teorico sull'ispezione dei difetti dei wafer e avevamo bisogno di costruire uno strumento di simulazione per modellare il modo in cui la luce si propaga attraverso un sistema di microscopio. Quando abbiamo visto il risultato della simulazione per una delle configurazioni, ne eravamo piuttosto confusi, " Goddard ricorda. "Abbiamo lavorato giorno e notte per i successivi tre mesi cercando di capire la fisica che c'era dietro. Una volta sviluppata un'espressione analitica in forma chiusa che spiegasse cosa stava succedendo, potremmo escogitare un esperimento per testare le nostre ipotesi."

Però, ci vorrebbero altri cinque mesi di tentativi ed errori per imparare come costruire e allineare il sistema ottico in modo tale che la configurazione sperimentale replicasse le ipotesi del modello. Nel frattempo, La signora Udupa ha fabbricato campioni di prova idonei sia presso l'Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory sia presso il Laboratorio di ricerca sui materiali con l'assistenza del Dr. Edmond Chow e del Dr. Tao Shang. A gennaio 2019, il team ha finalmente realizzato le condizioni sperimentali necessarie e ha visualizzato direttamente la prima serie di oggetti profondi a lunghezza d'onda inferiore.

"Utilizzare un microscopio ottico standard per visualizzare oggetti nanometrici è estremamente impegnativo non solo a causa della barriera di diffrazione, ma anche il segnale debole, " ha detto Zhu. "Il nostro esperimento ha dovuto utilizzare due concetti fisici nuovi e interessanti, eccitazione antisimmetrica e amplificazione non risonante, per aumentare il rapporto segnale-rumore degli oggetti su scala nanometrica".

Il team ha dimostrato che la tecnica è in grado di rilevare oggetti su nanoscala sia a forma libera che a forma fissa su un ampio campo visivo (726 μm × 582 μm) utilizzando un obiettivo a bassa apertura numerica (0,4 NA). Zhu spiega, "Siamo stati abbastanza fortunati che alcuni dei nanofili sul nostro campione di prova mostrato sopra presentassero imperfezioni di fabbricazione. Questo ci ha permesso di dimostrare la visualizzazione di difetti inferiori a 20 nm in un chip a semiconduttore. In futuro, si può anche applicare il nostro metodo per il rilevamento visualizzabile di oggetti biologici (ad es. virus o cluster di molecole) scegliendo nanofili con geometria ottimizzata e indice di rifrazione adeguato e modellando gruppi funzionali attorno ai nanofili. Una volta che gli analiti target sono intrappolati, agiscono come oggetti che possono essere visualizzati direttamente dalle immagini ottiche."