Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un nuovo modo per misurare le distanze su scala nanometrica—un nanometro è un miliardesimo di metro—usando la luce.

Dispositivi che utilizzano la luce per vedere gli oggetti, come microscopi, hanno un limite fondamentale basato sulle leggi della fisica, che è il loro potere risolutivo.

La distanza minima che i dispositivi ottici possono visualizzare in modo affidabile è pari alla metà della lunghezza d'onda della luce utilizzata, noto come "limite di diffrazione".

Il limite di diffrazione è quindi superiore a 400 nanometri, circa la metà della lunghezza d'onda della luce nel vicino infrarosso. Questo è circa 250 volte più piccolo della larghezza di un capello umano (100 micron).

Ma poiché gli scienziati sono interessati all'osservazione di oggetti estremamente piccoli come virus e nanoparticelle di dimensioni comprese tra 10 e 100 nanometri, una risoluzione ottica di 400 nanometri è insufficiente.

Attualmente, le misurazioni su scala nanometrica sono effettuate utilizzando metodi indiretti o non ottici, come la microscopia elettronica a scansione, che non sempre sono fattibili, può richiedere molto tempo e richiedere apparecchiature costose per funzionare.

Però, una scoperta pubblicata sulla rivista Scienza del professor Nikolay Zheludev e del dott. Guanghui Yuan della School of Physical &Mathematical Sciences della NTU descrive un nuovo metodo ottico in grado di misurare gli spostamenti di un nanometro, la distanza più piccola mai misurata direttamente, utilizzando la luce del vicino infrarosso.

I loro calcoli teorici indicano che i dispositivi basati su questo metodo potrebbero infine misurare distanze fino a 1/4000 della lunghezza d'onda della luce, all'incirca delle dimensioni di un singolo atomo.

Il loro risultato è stato ottenuto utilizzando un film d'oro spesso 100 nanometri con oltre 10, 000 minuscole fessure praticate al suo interno per diffrangere la luce laser e sfruttare un fenomeno ottico noto come "superoscillazione".

Il concetto di superoscillazione è nato per la prima volta negli anni '80 dalla ricerca sulla fisica quantistica di Yakir Aharonov, un fisico israeliano, ed è stato successivamente esteso all'ottica e ad altri campi dal fisico britannico Michael Berry. La superoscillazione si verifica quando una "lunghezza d'onda" in un'onda luminosa oscilla più velocemente dell'onda luminosa stessa.

Come funziona

"Il nostro dispositivo è concettualmente molto semplice, "dice il dottor Yuan, un borsista post-dottorato presso il Center for Disruptive Photonic Technologies (CDPT), un centro sotto The Photonics Institute presso NTU Singapore. "Ciò che lo fa funzionare è il modello preciso in cui sono disposte le fessure. Ci sono due tipi di fessure all'interno del modello, orientati perpendicolarmente tra loro. Quando la luce laser polarizzata colpisce la pellicola d'oro, crea uno schema di interferenza contenente elementi estremamente piccoli, molto più piccola della lunghezza d'onda della luce."

Dopo che questa luce polarizzata si è diffusa dal dispositivo di Zheludev e Yuan, produce due fasci a polarizzazione incrociata:uno un "modello di interferenza" superoscillatorio contenente una rapida variazione di fase e l'altro un'onda di riferimento per rilevare la fase del campo superoscillatorio.

Dalla fase, è possibile calcolare il gradiente di superoscillazione, o "vettore d'onda locale, " che ha una larghezza estremamente ridotta (400 volte più stretta del limite di diffrazione) e quindi può essere utilizzato come righello ottico ad alta risoluzione.

Un ostacolo che gli scienziati della NTU hanno dovuto superare è che queste minime superoscillazioni non compaiono nell'ampiezza dell'onda luminosa, ma nella sua fase. Per mappare la fase del campo luminoso, gli scienziati hanno dovuto ideare una tecnica speciale in grado di confrontare le intensità prodotte dai diversi stati di polarizzazione della luce laser.

"Questa tecnica sensibile alla fase è un importante miglioramento rispetto ai precedenti tentativi di utilizzare la superoscillazione per la misurazione ottica, " ha detto il professor Zheludev, Co-direttore del The Photonics Institute di NTU.

"Metodi precedenti, sviluppato da noi e da altri, utilizzato una classe di superoscillazioni che corrispondono a 'punti caldi' localizzati in intensità. Il vantaggio dei punti caldi è che sono facili da rilevare. Tuttavia, se l'obiettivo è misurare le distanze più brevi possibili, le superoscillazioni di fase sono molto più adatte, a causa delle loro ridotte dimensioni."

Applicazioni future

Professor Zheludev, che è anche co-direttore dell'Optoelectronics Research Center presso la Southampton University nel Regno Unito, ha affermato che la loro scoperta potrebbe trovare applicazione nell'industria:

"Questo metodo di misurazione ottica sarà molto utile in futuro, come nella produzione e nel controllo qualità dell'elettronica, dove sono richieste misurazioni ottiche estremamente precise, e per monitorare l'integrità dei nano-dispositivi stessi."

Andando avanti, il team mira a sviluppare una versione compatta del proprio apparato utilizzando fibre ottiche e a commercializzare la tecnologia come un nuovo tipo di righello ottico ultra preciso, che sarebbe vantaggioso per i processi di produzione avanzati, come la fabbricazione di semiconduttori e dispositivi optoelettronici, che sono la spina dorsale del settore delle telecomunicazioni.