真空隧道尽头的超快光：元光学显示阿秒范围内的物理过程
在哈佛大学开发，并在格拉茨理工大学(TU Graz)成功测试，一种革命性的新型显微镜，具有极高的空间和时间分辨率，已在格拉茨工业大学实验物理研究所的实验室测试中证明了其功能能力。
使用这种透镜的显微镜有望采用全新的研发方法，特别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小组目前正在《科学》杂志上报告这种新型元光学器件的构建和成功的实验室实验。
显微镜的透镜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。马库斯·奥西安德(Marcus Ossiander)在哈佛大学费德里科·卡帕索(Federico Capasso)小组的研究工作中提出了新型镜头的想法，自2023年<>月以来，ERC启动补助金和FWF START奖获得者一直在格拉茨工业大学实验物理研究所进行研究。
波士顿和格拉茨共同取得成功
阿秒物理学使用极紫外光。由于这种光振荡迅速，并且光学开发结构套件中的所有材料对这种光都是不透明的，因此到目前为止还没有可用的成像系统。Marcus Ossiander评论说：“我问自己，光学的经典原理是否不能逆转。你能用小面积中没有材料作为光学元件的基础吗?
哈佛大学基于这一理念开发并在格拉茨工业大学成功测试的镜头实现了这一设计原则。精确计算的极薄硅箔中微小孔的排列传导并聚焦入射到的阿秒光。研究小组的一个显着观察结果是，由于孔覆盖的表面，这些真空隧道传输的光能比应有的可能要多。这意味着创新的元光学器件实际上将紫外线吸入焦点。
直径为几纳米的孔
这一突破需要极小且精确控制的结构。它们的生产接近当今技术可行的极限。经过大约两年的实验阶段，费德里科·卡帕索(Federico Capasso)在哈佛大学的团队实现了技术实施，该团队是该领域的世界领导者。
功能验证是与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。“这对波士顿和格拉茨之间的合作来说是一个巨大的成功。现在我们想尽快用它来研究微电子、纳米粒子和类似的东西，“Marcus Ossiander解释说。
元光学器件由大约200纳米的薄膜组成，其中蚀刻了微小的孔结构。整个镜头由数亿个孔组成;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。相比之下：人类头发的厚度约为60至100微米，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，那里的入射光辐射被延迟，从而坍塌成一个微小的焦点。
激光遇见气体云
为了测量新型透镜，来自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，在产生这些元光学器件设计波长的辐射方面特别有效，“Martin Schultze说。
在格拉茨的实验装置中，激光聚焦到惰性气体射流中，可以产生极紫外辐射并将其集中在非常短的脉冲中。元光学的有效性通过这种针对阿秒物理学进行优化的光源得到了证明。
下一步：采用元光学器件的显微镜
现在下一步是开发与该镜头配合使用的显微镜。阿秒显微镜新研究领域的可能应用是多方面的。特别是半导体和太阳能电池技术将受益于首次能够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膨胀和几阿秒的时间范围内。新的元光学系统将使人们有可能观察信息技术的这些核心组件，并进一步优化它们。