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研究 | 悉尼大学物理学家将显微镜观察提升

解航

2023-11-24 14:56:30

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显微镜

自从显微镜问世以来，人类一直试图更深入地观察无限微小的世界。然而，传统的光学方法对物体的观察程度是有物理限制的，即所谓的“衍射极限”。

近日，悉尼大学的物理学家们对外展示了一种以最小损失实现超透镜的新途径，突破了衍射极限，几乎是衍射极限的四倍，这将让科学家们可以进一步改进超分辨率显微镜，在癌症诊断、医学成像、考古学和法医学等领域推进成像技术。

图：科学家们使用一种新的超透镜技术，利用后观察技术观察到一个只有 0.15 毫米宽的物体。物体 “太赫兹” (代表使用的 “太赫兹” 光频率) 显示为初始光学测量(右上)，正常透镜后(左下)，超透镜后(右下)

这项研究已发表在《自然通讯》杂志上，研究的主要负责人、悉尼大学物理学院和纳米研究所的亚历山德罗 · 图尼兹（Alessandro Tuniz）博士认为，他们成功的关键是完全移除超级镜头。“我们开发出一种实用的方法来实现超级透视，而不需要超透镜。”

为了做到这一点，研究者们将光探测器放置在远离物体的地方，并收集高分辨率和低分辨率的信息。图尼兹博士认为，由于在更远的地方测量，探测器就不会干扰高分辨率数据，这是实现高分辨率图像的第一步。

此前，研究者们曾尝试用新型材料制造超级镜片，然而，由于大多数材料吸收太多的光，从而无法使超级镜头发挥作用。“为了克服这个问题，我们在测量后通过计算机执行超级透镜操作，作为后处理步骤，选择性地放大渐逝或消失的光波，以产生物体的 ‘真实’ 图像。”图尼兹博士解释道。

通常情况下，超透镜的尝试都是试图密切关注高分辨率信息，因为这些有用的数据会随着距离呈指数衰减，并很快被低分辨率数据所淹没，而低分辨率数据衰减不会那么快。然而，将探测器移动到离物体太近的地方又会使图像失真。该项研究的合作者，同样来自悉尼大学物理学院和纳米研究所的副教授鲍里斯·库尔（Boris Kuhlmey）补充说道: “通过将探测器移到更远的地方，我们可以保持高分辨率信息的完整性，并使用后观测技术过滤掉低分辨率数据。”

这项研究使用的是毫米波长的太赫兹频率的光，位于可见光和微波之间的光谱区域。库尔副教授说认为这是一个非常困难的频率范围，但非常有趣，因为在这个范围内可以获得关于生物样品的重要信息，如蛋白质结构，水合动力学，或用于癌症成像。“我们的方法可以用于以更高的分辨率测定叶片中的水分含量，或者被用于先进的微加工技术，例如对微芯片完整性的非破坏性评估。”他进一步解释道。

“我们的技术也可以用于其他频率范围，希望任何使用高分辨率光学显微镜的人都会对这项技术感兴趣。”图尼兹博士补充道。

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