一种新的超透镜能够解决微小细节观察问题，例如对生物细胞表面上一个病毒的观察。图左上方显示的是六方氮化硼晶体的原子结构。来源：Keith Wood, 凡德比特大学

试想一下：一个光学镜头非常强大，它可以让你在自然环境中，对生物细胞表面上的一个微小病毒进行观察。

由于在超透镜中所用光学材料的质量取得了重要进步，现在构建具有这种能力的仪器是可行的，这里实现了一种创建透镜的方法，它能够分辨出远小于光波长的物体。范德堡大学机械工程副教授Joshua Caldwell领导的一个研究小组，在12月11日 《Nature Materials》杂志上发表了一篇关于这项研究成果的论文。

所涉及的光学材料是六方氮化硼（hBN），一个具有超透镜特性的天然晶体。先前报道的使用氮化硼的最佳分辨率是使用比红外波长小约36倍的物体：约为最小细菌的大小。这篇新论文描述了晶体质量的提高，使得其潜在的成像能力提高了约十倍。

研究人员通过使用同位素提纯硼方法提高氮化硼晶体质量。天然硼含有两种重量相差约10％的同位素，这种组合显著降低了晶体的红外光学特性。

“我们已经表明，超透镜内在效率限制可以通过同位素工程来解决。” 研究小组成员兼美国海军研究实验室的研究物理学家Alexander Giles说。“控制和操纵纳米尺度的光是非常困难和无效的。我们的工作为下一代材料和器件提供了一条新的途径。”

来自加利福尼亚大学、圣地亚哥、堪萨斯州立大学、橡树岭国家实验室和哥伦比亚大学的研究人员也为这项研究做出了贡献。

经研究人员计算，用他们提纯的晶体制成的透镜理论上可以捕捉到小至30纳米物体的图像。从这个角度来看，一英寸有2500万纳米，人的头发直径为80000纳米~100000纳米。人类红细胞尺寸约9000纳米，病毒尺寸为20纳米~400纳米。

多年来，科学家已经开发出许多能够产生具有纳米级分辨率图像的仪器，例如电子显微镜和原子力显微镜。然而这些仪器与生物体不相容：它们要么在高真空下操作，要么需要将样品暴露在有害的辐射水平下，或者需要使用破坏性的样品制备技术，如冷冻干燥，或从其天然溶液环境中取出样品。

开发超透镜的主要原因在于，它们可以在自然环境中使用低能量的光，在不伤害生物细胞的前提下，提供高精度的图像。此外，利用红外光进行成像也能提供有关它所拍摄物体的光谱信息，为指纹材料提供了一种手段。这些能力可能会对生物学和医学科学产生重大影响。该技术在通信和纳米光学元件中也有潜在的应用价值。

超透镜的物理结构相当复杂。光学显微镜能够成像的细节水平受到光的波长和透镜材料的折射率的限制。当与透镜孔径、物体与镜头的距离以及被观察物体的折射率相结合时，这就形成了一个典型的光学极限，约为成像波长的一半。在这个实验中使用的红外波长，这个衍射极限大约是3250纳米。这个极限可以通过利用氮化硼晶体获得突破，因为它具备支持表面声子极化的能力，通过由光子组成的混合颗粒与波长比入射光短得多的晶体中的振动带电原子实现耦合。

过去，以这种方式使用极子的问题一直是它们耗散的速度。研究人员对由99％的同位素纯度硼制成的氮化硼晶体进行了测量，与天然晶体相比，得到的光学损耗显著降低，极子寿命增加了三倍，这使得它们能够传播三倍的距离。这种改进意味着图像分辨率的显著提高。研究人员的理论分析表明，十倍提高也是可能的。

“目前，我们一直在对非常小的提纯后的氮化硼薄片进行测试” Caldwell说。“我们认为使用更大的晶体，可以看到进一步的改善效果。”

1654年，Anton van Leeuwenhoek使用第一台手动显微镜发现了以前未知的微观生命世界。这一最新研发的高级超透镜是将Anton van Leeuwenhoek的发现提高到一个全新水平的重要一步，这将使生物学家能够直接观察细胞过程，比如病毒侵入细胞或攻击外来入侵者的免疫细胞。

来源：https://phys.org/news/2017-12-hyperlens-crystal-capable-viewing-cells.html

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email：mail@opticsjournal.net。否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。