由哈佛大学开发并在格拉茨科技大学 (TU Graz) 成功测试的革命性新型超光学显微镜具有极高的空间和时间分辨率，已在 TU Graz 实验物理研究所的实验室测试中证明了其功能能力。使用这种镜头的显微镜有望带来全新的研发方法，尤其是在半导体和太阳能电池技术方面。来自格拉茨和波士顿的研究团队目前在专业期刊《科学》上报道了这种新型超光学的构建和成功的实验室实验。

超光学显示阿秒范围内的物理过程

显微镜的镜头首次使使用极紫外辐射成为可能。其极短的波长使其能够跟踪阿秒范围内的超快物理过程。例如，来自现代晶体管内部的实时图像或分子和原子与光的相互作用。Marcus Ossiander 在哈佛大学 Federico Capasso 小组的研究工作中提出了新型镜头的想法，自 2023 年 1 月以来，ERC 启动补助金和 FWF START 奖获得者一直在 TU Graz 的实验物理研究所进行研究.

波士顿和格拉茨的共同成功

阿秒物理学使用极紫外光。由于这种光振荡很快，并且光学开发构建套件中的所有材料都对这种光不透明，因此直到现在还没有可用的成像系统。Marcus Ossiander：“我问自己，光学的经典原理是否无法逆转。你能利用小区域材料的缺失作为光学元件的基础吗?”

哈佛大学基于这一想法开发并在 TU Graz 成功测试的镜头实现了这一设计原则。极薄的硅箔中经过精确计算的微小孔排列可传导并聚焦入射的阿秒光​​。研究小组的一个显着观察是，这些真空隧道传输的光能比由于孔覆盖的表面所应有的要多。这意味着创新的元光学实际上将紫外线吸收到焦点中。

直径几纳米的孔

这一突破需要极小且精确控制的结构。它们的产量接近当今技术上可行的极限。技术实施由哈佛大学的 Federico Capasso 团队完成，该团队在该领域处于世界领先地位，经过大约两年的实验阶段。功能证明是与 TU Graz 合作实现的，实验物理研究所的 Martin Schultze 小组致力于超短紫外线闪光的产生和应用。“这是波士顿与格拉茨合作的巨大成功。现在我们想用它来研究微电子学、纳米粒子和类似的东西，”Marcus Ossiander 解释道。

元光学器件由大约 200 纳米的薄膜组成，薄膜上刻有微小的孔结构。整个镜头由数以亿计的孔组成;膜上每微米大约有十个这样的结构。单个孔的直径在 20 到 80 纳米之间。作为比较：人的头发大约有 60 到 100 微米厚，小病毒的直径为 15 纳米。孔的直径从膜的中心向外变化和减小。根据孔的大小，那里的入射光辐射会延迟，从而坍缩成一个微小的焦点。

激光遇到气体云

为了测量新型透镜，格拉茨工业大学实验物理研究所的 Martin Schultze 和 Hana Hampel 在产生必要的极紫外辐射方面拥有独特的专业知识。“可靠地产生高能量的短光脉冲需要精确控制光控原子过程和非常精确的光学设置。对于这个项目，我们开发了一种光源，它可以特别有效地产生这些超光学设计所针对的波长的辐射，”Martin Schultze 说。在格拉茨的实验装置中，激光被聚焦到惰性气体射流中，可以产生极紫外辐射并集中在非常短的脉冲中。通过这种针对阿秒物理学优化的光源，证明了超光学的有效性。

下一步：具有元光学的显微镜

下一步是开发适用于该镜头的显微镜。Marcus Ossiander 因这项高级研究工作和光吸收纳米粒子的调查获得了 ERC 启动基金。继 Birgitta Schultze-Bernhardt 于 2020 年获奖后，这是短时间内在格拉茨工业大学实验物理研究所获得的第二个顶级研究奖项。阿秒显微镜这一新研究领域的可能应用是多方面的。尤其是半导体和太阳能电池技术将受益于能够首次跟踪电荷载流子在空间和时间上的超快运动的可能性。在现代晶体管和光电电路中，相关过程发生在几纳米的空间扩展和几阿秒的时间范围内。新的超光学技术将使观察信息技术的这些核心组件工作并进一步优化它们成为可能。