Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha desarrollado una nueva forma de medir distancias a nanoescala (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro) utilizando luz.

Dispositivos que usan luz para ver objetos, como microscopios, tienen una limitación fundamental basada en las leyes de la física, cuál es su poder resolutivo.

La distancia más pequeña a la que los dispositivos ópticos pueden obtener imágenes de manera confiable es igual a la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada, conocido como el "límite de difracción".

Por tanto, el límite de difracción es superior a 400 nanómetros, aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la luz infrarroja cercana. Esto es unas 250 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano (100 micrones).

Pero dado que los científicos están interesados ​​en observar objetos extremadamente pequeños como virus y nanopartículas que varían en tamaño de 10 a 100 nanómetros, una resolución óptica de 400 nanómetros es insuficiente.

En la actualidad, Las mediciones a escala nanométrica se realizan mediante métodos indirectos o no ópticos. como microscopía electrónica de barrido, que no siempre son factibles, puede llevar mucho tiempo y requerir un equipo costoso para operar.

Sin embargo, un descubrimiento publicado en la revista Ciencias por el profesor Nikolay Zheludev y el Dr. Guanghui Yuan en la Escuela de Ciencias Físicas y Matemáticas de la NTU describe un nuevo método óptico que puede medir los desplazamientos de un nanómetro, la distancia más pequeña jamás medida directamente, utilizando luz infrarroja cercana.

Sus cálculos teóricos indican que los dispositivos basados ​​en este método podrían medir distancias hasta 1/4000 de la longitud de onda de la luz. aproximadamente al tamaño de un solo átomo.

Su logro se logró utilizando una película de oro de 100 nanómetros de espesor con más de 10, 000 diminutas rendijas se cortan en él para difractar la luz láser y explotar un fenómeno óptico conocido como "superoscilación".

El concepto de superoscilación surgió por primera vez en la década de 1980 a partir de la investigación en física cuántica de Yakir Aharonov, un físico israelí, y posteriormente fue ampliado a la óptica y otros campos por el físico británico Michael Berry. La superoscilación ocurre cuando una "sub-longitud de onda" en una onda de luz oscila más rápido que la propia onda de luz.

Cómo funciona

"Nuestro dispositivo es conceptualmente muy simple, "dice el Dr. Yuan, becario postdoctoral en el Centro de Tecnologías Fotónicas Disruptivas (CDPT), un centro bajo el Instituto de Fotónica en NTU Singapur. "Lo que hace que funcione es el patrón preciso en el que están dispuestas las ranuras. Hay dos tipos de ranuras dentro del patrón, orientados en ángulos rectos entre sí. Cuando la luz láser polarizada incide en la película dorada, crea un patrón de interferencia que contiene características extremadamente pequeñas, mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz ".

Después de que esta luz polarizada se dispersa desde el dispositivo de Zheludev y Yuan, produce dos haces de polarización cruzada:uno un "patrón de interferencia" superoscilatorio que contiene una rápida variación de fase y el otro una onda de referencia para detectar la fase del campo superoscilatorio.

De la fase, es posible calcular el gradiente de superoscilación, o "vector de onda local, "que tiene un ancho extremadamente estrecho (400 veces más estrecho que el límite de difracción) y, por lo tanto, puede usarse como una regla óptica de alta resolución.

Un obstáculo que los científicos de la NTU tuvieron que superar fue que estas superoscilaciones más pequeñas no aparecen en la amplitud de la onda de luz, pero en su fase. Para trazar la fase del campo de luz, los científicos tuvieron que idear una técnica especial que pudiera comparar las intensidades producidas por diferentes estados de polarización de la luz láser.

"Esta técnica sensible a la fase es una mejora importante con respecto a los intentos anteriores de utilizar la superoscilación para la medición óptica, "dijo el profesor Zheludev, Codirector del Instituto de Fotónica de NTU.

"Métodos anteriores, desarrollado por nosotros y otros, utilizó una clase de superoscilaciones que corresponden a 'puntos calientes' localizados en intensidad. La ventaja de los puntos calientes es que son fáciles de detectar. Sin embargo, si el objetivo es medir las distancias más cortas posibles, las superoscilaciones de fase son mucho más adecuadas, debido a su menor tamaño ".

Aplicaciones futuras

Profesor Zheludev, quien también se desempeña como codirector del Centro de Investigación de Optoelectrónica de la Universidad de Southampton en el Reino Unido, dijo que es probable que su descubrimiento encuentre aplicación en la industria:

"Este método de medición óptica será muy útil en el futuro, como en la fabricación y el control de calidad de la electrónica, donde se requieran mediciones ópticas extremadamente precisas, y monitorear la integridad de los propios nano-dispositivos ".

Avanzando el equipo tiene como objetivo desarrollar una versión compacta de su aparato utilizando fibras ópticas y comercializar la tecnología como un nuevo tipo de regla óptica ultraprecisa, que sería beneficioso para los procesos de fabricación avanzados, como la fabricación de semiconductores y los dispositivos optoelectrónicos, que son la columna vertebral de la industria de las telecomunicaciones.