Российские физики научились считать микрочастицы без микроскопа

Российские и австралийские учёные предложили простой способ подсчета микроскопических частиц с помощью лазера. Новый метод позволит значительно быстрее проектировать инновационные оптические устройства. Соответствующая статья опубликована в журнале Scientific Reports.
Для создания оптических микросхем требуются устройства усиливающие световой сигнал, фокусирующие его на детекторах, изменяющие направление или характер его движения. Обычные линзы слишком велики, чтобы справиться с этой задачей в наномасштабе. Поэтому сегодня разрабатываются тончайшие микролинзы из искусственных оптических материалов – фотонных кристаллов и метаматериалов, позволяющих управлять световой волной самым необычным образом. Однако пока открытие новых оптических материалов с нужными свойствами – трудоёмкий процесс, во многом полагающийся на метод проб и ошибок. Кроме того, часто фотонные кристаллы отличаются друг от друга, и чтобы корректно понять их структурные различия нужны длительные исследования.

Учёные из Университета ИТМО, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Австралийского национального университета первыми в мире предложили анализировать число частиц, составляющих структуру фотонного кристалла, при помощи метода оптической дифракции. Этот метод заключается в том, что пучок света, проходящий через исследуемый оптический материал, распадается и образует на проекционном экране узор из множества ярких пятен.
Исследователи обнаружили, что количество пятен соответствует числу рассеивающих микроскопических частиц в материале (фотонном кристалле), а также тип кристаллической решетки образца. Таким образом, строение и форму оптических материалов можно установить без использования дорогостоящих приборов. Ранее увидеть и посчитать эти частицы можно было только с помощью очень дорогого электронного или атомно-силового микроскопа, теперь же это можно сделать просто сосчитав пятнышки на экране. Новый метод не только сокращает потребность в дорогой аппаратуре, но и резко сокращает затраты времени на изучение каждого нового образца. 
 .
"Даже школьник может купить в магазине лазерную указку, приспособить к ней небольшую линзу для лучшей фокусировки света, закрепить образец и просветить его. Кроме того, наш метод позволяет изучать оптические материалы без изменения их структуры в отличие от электронной микроскопии, когда на поверхность образца приходится напылять проводящий слой металла, что изменяет его оптические свойства"
 
При помощи дифракционного метода исследователи также изучили переход между двумя важнейшими классами оптических материалов: фотонными кристаллами и метаповерхностями. Удалось выяснить, при каких именно размерах кристаллической решетки свет перестает "воспринимать" образец как двумерный фотонный кристалл и начинает взаимодействовать с ним как с метаповерхностью.
В обоих классах структур частицы-рассеиватели (колечки, шарики, цилиндрики размером в 200-300 нанометров) собраны в плоскую решетку. Однако в случае двумерного фотонного кристалла свет "видит" образец как набор отдельных частиц и проходя сквозь материал оставляет причудливые узоры на экране, расположенном позади образца. С метаповерхностью же свет начинает вести себя как с однородным материалом. На экране возникает одно сплошное яркое пятно. Его появление на смену группе пятен показывает, что рассеиватели расположены настолько близко друг к другу, что свет уже не "воспринимает" их как отдельные частицы и проходит сквозь материал не разделяясь.

Чтобы пучок не разделялся, проходя через метаповерхность, расстояние между частицами должно быть меньше длины волны света. Теоретические расчеты показывают, что для некоторых структур нужно изготовить решетку, в которой расстояние между рассеивателями в 2-3 раза меньше, чем длина световой волны. Однако на практике часто свойства метаповерхности как сплошного препятствия могут проявляться и при большем расстоянии между частицами. Важно найти это максимальное расстояние, поскольку каждый нанометр, на который нужно уменьшить структуру, делает технологию дороже.
Так, например, ученые установили, что для света с длиной волны 530 нанометров (соответствует зелёному) достаточно, чтобы расстояние между рассеивателями в исследуемой структуре было всего 500 нанометров, то есть на 30 нанометров меньше длины волны используемого света. Иными словами иногда совсем необязательно делать решетку с периодом в разы меньше длины волны - ведь изготовлять структуры большего размера технологически значительно легче.