由哈佛大學開發，并在格拉茨科技大學成功測試的革命性新型超光學顯微鏡，具有極高的空間和時間分辨率，已在格拉茨大學實驗物理研究所的實驗室測試中證明了其功能能力。

使用這種鏡頭的顯微鏡有望帶來全新的研發方法，尤其是在半導體和太陽能電池技術方面。來自格拉茨和波士頓的研究小組目前正在《科學》雜志上報告這種新型元光學器件的構建和在實驗室成功實驗。

顯微鏡的鏡頭首次實現使用極紫外輻射成為可能。其極短的波長使其能夠跟蹤阿秒范圍內的超快物理過程。例如，來自現代晶體管內部的實時圖像或分子和原子與光的相互作用。

阿秒物理學使用極紫外光。由于這種光振蕩很快，并且光學開發構建套件中的所有材料都對這種光不透明，因此直到現在還沒有可用的成像系統。

哈佛大學基于這一理念開發并在格拉茨工業大學成功測試的鏡頭突破了這一極限。在極薄的硅片上精確計算出的小孔排列可以傳導和聚焦入射的阿秒光。研究團隊的一個顯著觀察結果是，由于孔洞覆蓋的表面，這些真空隧道傳輸的光能超過了應有的水平。這意味著創新的超光學系統將紫外線吸入焦點。

直徑幾納米的孔

這一突破需要極小且精確控制的結構。這已經接近當今技術上可行的極限。技術實施由哈佛大學的Federico Capasso團隊完成，該團隊在該領域處于世界領先地位，經過大約兩年的實驗階段。 元光學器件由大約200納米的薄膜組成，薄膜上刻有微小的孔結構。

整個鏡頭由數以億計的孔組成；膜上每微米大約有十個這樣的結構。單個孔的直徑在20到80納米之間。作為比較：人的頭發大約有60到100微米厚，小病毒的直徑為15納米。孔的直徑從膜的中心向外變化和減小。根據孔的大小，那里的入射光輻射會延遲，從而坍縮成一個微小的焦點。

激光遇到氣體云

為了測量新型透鏡，格拉茨工業大學實驗物理研究所的Martin Schultze和Hana Hampel在產生必要的極紫外輻射方面擁有獨特的專業知識。Martin Schultze 說：“可靠地產生高能量的短光脈沖需要精確控制光控原子過程和非常精確的光學設置。對于這個項目，我們開發了一種光源，它可以特別有效地產生這些超光學設計所針對的波長的輻射”。

在格拉茨的實驗裝置中，激光被聚焦到惰性氣體射流中，可以產生極紫外輻射并集中在非常短的脈沖中。通過這種針對阿秒物理學優化的光源，證明了超光學的有效性。

下一步：采用超光學器件的顯微鏡

下一步是開發一種可以使用這種透鏡的顯微鏡。Marcus Ossiander獲得了ERC啟動撥款，用于這項先進的研究工作和對吸光納米顆粒的研究。繼2020年Birgitta Schultze Bernhardt獲獎后，這是格拉茨大學實驗物理研究所在短時間內獲得的第二個頂級研究獎。

阿秒顯微鏡這一新的研究領域可能有多種應用。半導體和太陽能電池技術尤其將受益于首次能夠跟蹤載流子在空間和時間上的超快運動的可能性。在現代晶體管和光電子電路中，相關過程發生在幾納米的空間擴展內和幾阿秒的時間范圍內。新的元光學將使人們能夠觀察這些信息技術的核心組件的工作情況，并進一步優化它們。





審核編輯：劉清