Физики преодолели дифракционный предел Рэлея, открыв эффект сверхразрешения в анизотропных средах

Российские физики из Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН и Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского обнаружили эффект сверхразрешения, позволяющий наблюдать объекты, размеры которых меньше длины волны. Группа ученых в составе Эдвина Локка, Сергея Геруса и Александра Садовникова впервые экспериментально и теоретически доказала возможность преодоления дифракционного предела в анизотропных средах. Результаты их работы были опубликованы в научном журнале «Успехи физических наук».

Физикам давно известно о существовании дифракционного предела, который был сформулирован Джоном Уильямом Рэлеем еще в 1879 году. Согласно этому правилу, с помощью волны принципиально невозможно различить объект, если его размеры оказываются меньше длины самой волны.

Именно поэтому метровые радиоволны не позволяют заметить предмет диаметром в несколько сантиметров, а оптические микроскопы бессильны против вирусов, чьи размеры не превышают 200 нанометров: длина волны видимого света просто больше, чем сами эти частицы. Однако все эти ограничения справедливы только для изотропных сред, где волна распространяется одинаково во всех направлениях, а ширина луча зависит исключительно от отношения длины волны к размерам источника.

Российские исследователи обратили свое внимание на анизотропные среды, в которых параметры волны, включая ее длину, различаются в зависимости от направления распространения. В ходе работы было установлено, что при определенных условиях в такой среде может возникать сверхнаправленный луч, который по мере движения практически не расширяется, сохраняя свою абсолютную ширину.

Именно в этом направлении и проявляется эффект сверхразрешения, позволяющий фиксировать объекты, которые по классическим представлениям должны оставаться невидимыми. В своей работе ученые использовали ферритовую пленку толщиной около 16,5 микрометра, в которой возбуждали спиновые волны, также известные как магноны. Внутри пленки было проделано отверстие диаметром 250 микрометров, тогда как длина волны колебаний составляла от 793 до 1385 микрометров, что превышало диаметр отверстия в три-пять с половиной раз.

В изотропной среде такая волна не смогла бы создать за отверстием никакой тени, однако благодаря наличию направления сверхнаправленного распространения исследователи зафиксировали отчетливую тень на расстоянии, превышающем предсказания критерия Рэлея в десятки и даже сотни раз.

Авторы работы особо подчеркивают, что обнаруженный эффект является универсальным и может быть воспроизведен для любых типов волн при соблюдении определенных условий, подробно описанных в публикации.

Это открытие не только расширяет фундаментальные представления о физике волновых процессов, но и открывает практические перспективы для создания микроскопов нового поколения с рекордной разрешающей способностью, систем контроля качества в микроэлектронике и машиностроении, а также для медицинской диагностики, где ранее недоступные для наблюдения детали могут стать видимыми.

В итоге открытие физиков доказывает, что фундаментальный дифракционный предел Рэлея может быть преодолен в анизотропных средах за счет возникновения сверхнаправленных лучей, не расширяющихся при распространении. Это явление впервые экспериментально подтверждено на примере спиновых волн в ферритовой пленке и открывает путь к созданию приборов, способных наблюдать объекты, значительно меньшие длины волны, что обещает революцию в микроскопии, микроэлектронике и медицине.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях