La nueva investigación de ECE de Illinois está avanzando en el campo de la microscopía óptica, dar al campo una nueva herramienta crítica para resolver problemas desafiantes en muchos campos de la ciencia y la ingeniería, incluida la inspección de obleas de semiconductores, detección de nanopartículas, caracterización de materiales, biosensor, recuento de virus, y monitoreo de microfluidos.

La pregunta se hace a menudo, "¿Por qué no podemos ver o sentir objetos a nanoescala con un microscopio óptico?" Las respuestas de los libros de texto son que sus señales relativas son débiles, y su separación es menor que el límite de resolución de Abbe.

Sin embargo, el equipo de investigación de ECE de Illinois, dirigido por el profesor de ECE de Illinois Lynford L Goddard, junto con el postdoctorado Jinlong Zhu, y Ph.D. estudiante aditi udupa desafía estos principios fundamentales con un marco óptico completamente nuevo.

Su trabajo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza abre nuevas puertas al uso de la microscopía óptica para resolver problemas difíciles que afectan nuestra vida diaria.

"Nuestro trabajo es significativo no solo porque avanza en la comprensión científica de las imágenes ópticas, sino también porque permite a los investigadores visualizar directamente objetos no etiquetados que tienen separaciones profundas de sub-longitudes de onda. Podemos ver estructuras a nanoescala sin realizar ningún posprocesamiento de imágenes", dijo Goddard.

Los avances del equipo comenzaron en mayo de 2018 cuando Zhu y Goddard se toparon con un resultado notable en una de sus simulaciones. "En el momento, estábamos realizando un estudio teórico sobre la inspección de defectos de obleas y necesitábamos construir una herramienta de simulación para modelar cómo se propaga la luz a través de un sistema de microscopio. Cuando vimos el resultado de la simulación para una de las configuraciones, estábamos bastante confundidos por eso, "Goddard recuerda." Trabajamos día y noche durante los siguientes tres meses tratando de entender la física detrás de esto. Una vez que desarrollamos una expresión analítica de forma cerrada que explicaba lo que estaba pasando, podríamos idear un experimento para probar nuestras hipótesis ".

Sin embargo, Se necesitarían otros cinco meses de prueba y error para aprender a construir y alinear el sistema óptico de manera que la configuración experimental replicara los supuestos del modelo. Mientras tanto, La Sra. Udupa fabricó muestras de prueba adecuadas tanto en el Laboratorio de Micro y Nanotecnología de Holonyak como en el Laboratorio de Investigación de Materiales con la ayuda del Dr. Edmond Chow y el Dr. Tao Shang. En enero de 2019, el equipo finalmente se dio cuenta de las condiciones experimentales necesarias y visualizó directamente su primer conjunto de objetos de sub-longitud de onda profunda.

"Usar un microscopio óptico estándar para visualizar objetos nanométricos es extremadamente desafiante no solo por la barrera de difracción, pero también la señal débil, ", dijo Zhu." Nuestro experimento tenía que utilizar dos conceptos físicos nuevos e interesantes, excitación antisimétrica y amplificación sin resonancia, para aumentar la relación señal-ruido de los objetos a nanoescala ".

El equipo demostró que la técnica puede detectar objetos a nanoescala de forma libre y de forma fija en un amplio campo de visión (726 μm × 582 μm) utilizando un objetivo de baja apertura numérica (0,4 NA). Zhu explica, "Tuvimos mucha suerte de que algunos de los nanocables en nuestra muestra de prueba mostrada arriba tenían imperfecciones de fabricación. Esto nos permitió demostrar la visualización de defectos de menos de 20 nm en un chip semiconductor. En el futuro, También se puede aplicar nuestro método para la detección visualizable de objetos biológicos (por ejemplo, virus o grupos de moléculas) eligiendo nanocables con geometría optimizada y un índice de refracción adecuado y modelando grupos funcionales alrededor de los nanocables. Una vez que los analitos objetivo quedan atrapados, actúan como objetos que pueden visualizarse directamente a partir de las imágenes ópticas ".