作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2023/4/29 0:04:45
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香山科学会议第743次学术讨论会
突破衍射极限,还看“近场光学”!

 

“这是唯一一种不依赖荧光标记、而又能够突破衍射极限的光学显微术。”2014年诺贝尔化学奖得主贝齐格(Eric Betzig)参与开创的“近场光学技术”,近年来在国内得到广泛关注。

4月18日,以“多场条件超高分辨近场光学技术”为主题的香山科学会议第743次学术讨论会在北京举行。

与会专家认为,近场光学技术具有适用性广、宽光谱兼容、无损检测、无需标记等独特优势,在凝聚态物理、半导体器件、生物检测、太赫兹技术等方面具有较大应用潜力,应凝聚国内近场光学科研力量,尽快推进这一领域的技术与理论发展,提升国际影响力。

百年设想成真

极小的物体被放大几千倍,各种物质的丰富细节徐徐展开,人类观察自然界的视野得到极大拓展——这是光学显微镜赋予人类的“超能力”。不过,无限提高放大倍数是不可能的。由于衍射效应的存在,传统光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。这主要是因为传统光学显微镜仅仅收集和利用了物体的“远场”光学信息,而携带样品更加精细表面信息的“近场”隐失波没能被探测和利用。

会议执行主席之一、国家纳米科学中心研究员戴庆在会议主旨报告中介绍,近百年的探索中,科学家们认识到,为了突破衍射极限实现超高分辨率光学成像,物体的“近场”光学信息必须得到有效利用。1928年,著名物理学家爱因斯坦和爱尔兰科学家辛祺(Edward Synge)在通信交流中分别提出了两种近场光学显微镜的设计理念。不过,当时的技术条件不能满足以纳米级精度控制物体间距并实现横向扫描的要求,他们的思想只能停留在纸面上。

“经过近百年来几代科研人的不懈努力,随着扫描探针显微术的兴起,近场光学显微术形成了孔径式(a-SNOM)和散射式(s-SNOM)这两条最重要的技术路径,将两位科学先驱的设想变成现实。”戴庆表示。

从实验室到商业化

与会专家认为,近场光学技术不断进步,主要得益于纳米科学技术的发展。

1984年,科学家首先借助铝膜包覆的化学蚀刻石英探针实现了孔径式近场光学显微镜,分辨率达到20纳米。几年后,金属薄膜包覆光纤探针的发明使分辨率进一步提高到12纳米。

20世纪90年代以后,散射式近场光学显微镜逐步发展起来。特别是1998年以后,德国科学家凯尔曼(Fritz Keilmann)开创了红外波段散射式近场光学显微镜,并推动其实现了商业化。

戴庆指出:“如今,纳米技术飞速发展,近场光学技术的发展与应用也进入了快车道。”

作为纳米科学强有力的表征工具,近场光学显微镜在探测纳米界面的光响应方面具有独特优势,目前其仪器形态已基本稳定,出现了比较成功的商业化产品。

这些仪器在光学、凝聚态物理、化学、生物学、材料学等多个前沿科学领域得到了广泛应用。例如,中国科学技术大学董振超团队利用散射式近场光学探针的场增强效应实现了单个分子的拉曼光谱成像,国家纳米科学中心戴庆团队利用散射式近场光学显微镜发现了二维材料异质结中的光学负折射效应并实现其动态调控,华中科技大学李培宁团队通过近场光学显微镜证明了双折射晶体中存在“幽灵”极化激元电磁波。

与会专家认为,随着研究进入原子尺度,量子效应更加显著,这一科学前沿对近场光学技术又提出了新的要求,应着力加强近场光学技术与低温、强磁场、强光场等多物理场的融合,使其满足量子材料领域研究对高空间分辨光学表征及多物理场调控的需求。

学科发展倡议

在中国,近场光学起步晚但发展快,逐渐形成了一支年轻、有活力的研究队伍。1997年,北京大学物理学院教授朱星率先引进国内第一台孔径式近场光学显微镜,不久后自主研制了国内第一台低温孔径式近场光学显微镜。

如今,经过20多年的发展,国内近场光学相关研究已经形成遍地开花的局面。文献调查显示,中国学者发表的论文呈现指数级增长。但是,专家们指出,这一领域仍然存在仪器创新力不足、理论体系不健全、整体学术交流较少等问题。

针对这些现实问题,本次会议上,与会专家提出了国内近场光学发展的“三个一”倡议,包括“一个项目”“一个会议”“一个学会”,即争取布局一个近场光学重点研发项目,举办一场具有重要影响力的国际近场光学学术会议,成立一个近场光学的专业学会。

与会专家呼吁,应尽快在近场光学仪器研发及国产化方面发力,充分挖掘近场光学技术在多物理场条件及超高分辨率方面的潜力,为前沿科学领域获得原创性研究奠定基础。

 
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