सुपरलेंस

एक सुपरलेन्स, या सुपर लेंस, एक लेंस (प्रकाशिकी) है जो विवर्तन सीमा के बाहर जाने के लिए मेटामटेरियल्स का उपयोग करता है। विवर्तन सीमा पारंपरिक लेंस और प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी की एक विशेषता है जो रोशनी की तरंग दैर्ध्य और वस्तुनिष्ठ लेंस के संख्यात्मक एपर्चर (कैमरा के लेंस का द्वारक ) एनए के आधार पर उनके विश्लेषण की सुंदरता को सीमित करती है। कई लेंस डिजाइन प्रस्तावित किए गए हैं जो किसी तरह विवर्तन सीमा के बाहर जाते हैं, लेकिन बाध्यताएं और बाधाएं उनमें से प्रत्येक का सामना करती हैं।

इतिहास

1873 में अर्नेस्ट अब्बे ने बताया कि पारंपरिक लेंस किसी भी छवि के कुछ सूक्ष्म विवरणों को कैप्चर करने में असमर्थ हैं। सुपरलेन्स का उद्देश्य ऐसे विवरणों को कैप्चर करना है। पारंपरिक लेंस (ऑप्टिक्स) की सीमा ने जैविक विज्ञान में प्रगति को बाधित किया है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक वाइरस या डीएनए अणु को उच्चतम शक्ति वाले पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी से नहीं सुलझाया जा सकता है। यह सीमा उनके प्राकृतिक वातावरण में एक कोशिका (जीव विज्ञान) के सूक्ष्मनलिकाएं के साथ चलने वाले सेलुलर प्रोटीन की मिनट प्रक्रियाओं तक प्रसारित हुई है। इसके अतिरिक्त, कंप्यूटर चिप और परस्पर संबंधित माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स सूक्ष्म और सूक्ष्म पैमाने पर निर्मित होते रहते हैं। इसके लिए विशिष्ट नैनोलिथोमुद्रण की आवश्यकता होती है, जो सीमित भी है क्योंकि इनमें पारंपरिक लेंस का उपयोग होता है। इसलिए, एक सुपरलेन्स को नियंत्रित करने वाले सिद्धांत दिखाते हैं कि इसमें डीएनए अणुओं, सेलुलर प्रोटीन प्रक्रियाओं की इमेजिंग और इससे भी सूक्ष्म कंप्यूटर चिप्स और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के निर्माण में सहायता करने की क्षमता है।

इसके अतिरिक्त, पारंपरिक लेंस केवल तरंग प्रसार प्रकाश तरंगों को कैप्चर करते हैं। ये लहर तरंगें हैं जो किसी प्रकाश स्रोत या वस्तु से लेंस या मानव आँख तक जाती हैं। इसका वैकल्पिक रूप से सुदूर क्षेत्र के रूप में अध्ययन किया जा सकता है। इसके विपरीत, एक सुपरलेंस किसी वस्तु की सतह के शीर्ष पर रहने वाले दृश्यमान प्रकाश और तरंगों को प्रसारित करता है, जिसे वैकल्पिक रूप से दूर क्षेत्र और निकटतम और दूर क्षेत्र दोनों के रूप में अध्ययन किया जा सकता है।

20वीं शताब्दी की शुरुआत में डेनिस गैबोर द्वारा सुपरलेन्स शब्द का उपयोग कुछ अलग करने के लिए किया गया था: एक मिश्रित लेंसलेट सरणी प्रणाली का उपयोग किया गया था।

सिद्धांत

Error creating thumbnail:

दूरबीन माइक्रोस्कोप एक पारंपरिक प्रकाशिकी प्रणाली है। स्थानिक संकल्प एक विवर्तन सीमा से सीमित है जो 200 नैनोमीटर से थोड़ा ऊपर है।

छवि निर्माण

File:Commonly used metallic nanoprobes.jpg

सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले धात्विक नैनोप्रोब्स के योजनाबद्ध चित्रण और चित्र जिनका उपयोग नैनोमीटर विश्लेषण में एक नमूना देखने के लिए किया जा सकता है। ध्यान दें कि तीन नैनोप्रोब्स की युक्तियां 100 नैनोमीटर हैं।

किसी वस्तु की छवि को उस वस्तु की विशेषताओं के मूर्त या दृश्य प्रतिनिधित्व के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। छवि निर्माण के लिए एक आवश्यकता विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के क्षेत्रों के साथ अंतःक्रिया है। इसके अतिरिक्त , फीचर विवरण, या छवि विश्लेषण का स्तर तरंग दैर्ध्य तक सीमित है। उदाहरण के लिए, प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी के साथ, छवि उत्पादन और संकल्प दृश्यमान प्रकाश की तरंग की लंबाई पर निर्भर करता है। हालांकि, एक सुपरलेन्स के साथ, इस सीमा को हटाया जा सकता है, और छवि की एक नई श्रेणी उत्पन्न की जा सकती है।

इलेक्ट्रॉन बीम लिथोमुद्रण इस रिज़ॉल्यूशन सीमा को पार कर सकती है। दूसरी ओर प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी , 200 100 नैनोमीटर के ठीक ऊपर कुछ मान तक सीमित नहीं हो सकता है।हालाँकि, प्रकाशिकी माइक्रोस्कोप के साथ संयुक्त तकनीक ने छवि विश्लेषण में वृद्धि की अनुमति देना प्रारम्भ कर दिया है। (नीचे अनुभाग देखें)

विवर्तन सीमा से प्रतिबंधित होने की एक परिभाषा, आधा प्रकाश पर एक संकल्प काट दिया गया है। दृश्यमान स्पेक्ट्रम की एक सीमा होती है जो 390 नैनोमीटर से 750 नैनोमीटर तक प्रसारित होती है। हरा, बीच में आधा, लगभग 500 नैनोमीटर है। सूक्ष्मदर्शी लेंस एपर्चर, ऑब्जेक्ट से लेंस तक की दूरी और देखी गई सामग्री के अपवर्तनांक जैसे मापदंडों को ध्यान में रखता है। यह संयोजन विश्लेषण कटऑफ या सूक्ष्मदर्शी सूक्ष्मदर्शी को परिभाषित करता है, जो 200 नैनोमीटर तक सारणीबद्ध होता है। इसलिए, पारंपरिक लेंस, जो वस्तुतः साधारण प्रकाश तरंगों का उपयोग करके किसी वस्तु की एक छवि का निर्माण करते हैं, ऐसी जानकारी को छोड़ देते हैं जो बहुत ही सूक्ष्म, और उस वस्तु का सूक्ष्म विवरण उत्पन्न करती है जो क्षणभंगुर तरंगों में समाहित होती है। ये आयाम 200 नैनोमीटर से कम हैं। इस कारण से, पारंपरिक प्रकाशिकी सिस्टम, जैसे कि सूक्ष्मदर्शी, बहुत छोटी, नैनो-तकनीक | नैनोमीटर-आकार की संरचनाओं या विवो में नैनोमीटर-आकार, जैसे कि व्यक्तिगत वायरस, या डीएनए अणुओं की सटीक रूप से छवि बनाने में असमर्थ रहे हैं।

मानक प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी (उज्ज्वल क्षेत्र सूक्ष्मदर्शी ) की सीमाएं तीन क्षेत्रों में हैं:

• तकनीक केवल अंधेरे या दृढ़ता से अपवर्तक सूचकांक को प्रभावी ढंग से चित्रित कर सकती है।
• विवर्तन वस्तु, या कोशिका (जीव विज्ञान)|कोशिका के संकल्प को लगभग 200 नैनोमीटर तक सीमित करता है।
• फोकल प्लेन के बाहर के बिंदुओं से फोकस से बाहर का प्रकाश छवि की स्पष्टता को कम करता है।

जीवित जैविक कोशिका (जीव विज्ञान) में विशेष रूप से सफलतापूर्वक अध्ययन करने के लिए पर्याप्त कंट्रास्ट की कमी होती है, क्योंकि कोशिका की आंतरिक संरचना ज्यादातर रंगहीन और पारदर्शी होती है। कंट्रास्ट बढ़ाने का सबसे आम तरीका चयनात्मक रंगों के साथ विभिन्न संरचनाओं को रंगना (जीव विज्ञान) है, लेकिन अधिकांशतः इसमें नमूने को मारना और ठीक करना सम्मिलित होता है। स्टेनिंग विरूपण साक्ष्य (सूक्ष्मदर्शी ) भी पेश कर सकता है, स्पष्ट संरचनात्मक विवरण जो नमूने के प्रसंस्करण के कारण होते हैं और इस प्रकार नमूने की एक वैध विशेषता नहीं हैं।

पारंपरिक लेंस

डीवीडी (डिजिटल बहुमुखी डिस्क)। डेटा स्थानांतरण के लिए एक लेजर कार्यरत है।

पारंपरिक पारंपरिक लेंस हमारे समाज और विज्ञान में व्यापक है। यह प्रकाशिकी के मूलभूत उपकरणों में से एक है क्योंकि यह प्रकाश के विभिन्न तरंग दैर्ध्य के साथ संपर्क करता है। उसी समय, प्रकाश की तरंग दैर्ध्य साधारण छवियों को खींचने के लिए उपयोग की जाने वाली पेंसिल की चौड़ाई के अनुरूप हो सकती है। सीमा हर तरह से घुसपैठ करती है। उदाहरण के लिए, डिजिटल वीडियो सिस्टम में उपयोग किया जाने वाला लेज़र डीवीडी से विवरण नहीं पढ़ सकता है जो कि लेज़र के दृश्य प्रकाश से छोटा होता है। यह डीवीडी की भंडारण क्षमता को सीमित करता है।

इस प्रकार, जब कोई वस्तु प्रकाश का उत्सर्जन या परावर्तित करती है तो इस घटना से जुड़े दो प्रकार के विद्युत चुम्बकीय विकिरण होते हैं। ये क्षणभंगुर तरंग विकिरण और कोणीय विभेदन विकिरण हैं। जैसा कि इसके विवरण से पता चलता है, दूर का क्षेत्र वस्तु के बाहर निकल जाता है। फिर इसे पारंपरिक ग्लास लेंस द्वारा आसानी से पकड़ा और हेरफेर किया जाता है। हालाँकि, उपयोगी (नैनोमीटर-आकार) विश्लेषण विवरण नहीं देखे गए हैं, क्योंकि वे निकटतम क्षेत्र में छिपे हुए हैं। वे स्थानीयकृत रहते हैं, प्रकाश उत्सर्जक वस्तु के बहुत करीब रहते हैं, यात्रा करने में असमर्थ होते हैं, और पारंपरिक लेंस द्वारा कब्जा करने में असमर्थ होते हैं। उच्च विभेदन के लिए निकटतम क्षेत्र विकिरण को नियंत्रित करना, प्रकृति में आसानी से प्राप्त नहीं होने वाली सामग्रियों की एक नई श्रेणी के साथ पूरा किया जा सकता है। ये क्रिस्टल संरचना जैसे परिचित ठोस पदार्थों के विपरीत हैं, जो परमाणु और आणविक इकाइयों से अपनी गुण प्राप्त करते हैं। नई सामग्री वर्ग, जिसे metamaterials कहा जाता है, इसके गुणों को कृत्रिम रूप से बड़ी संरचना से प्राप्त करता है। इसके परिणामस्वरूप उपन्यास गुण और उपन्यास प्रतिक्रियाएं हुई हैं, जो प्रकाश की तरंग दैर्ध्य द्वारा लगाए गए सीमाओं को पार करने वाले कोणीय संकल्प की अनुमति देती हैं।

सबवेवलेंथ इमेजिंग

File:Electrocomposeur 1976.JPG

इलेक्ट्रोकंपोज़र एक इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोमुद्रण मशीन (इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) था जिसे मुखौटा लेखन के लिए डिज़ाइन किया गया था। इसे 1970 के दशक की शुरुआत में विकसित किया गया था और 1970 के दशक के मध्य में तैनात किया गया था।

इसने वास्तविक समय, प्राकृतिक वातावरण में सेल (जीव विज्ञान) की बातचीत को देखने की इच्छा और सबवेवलेंथ इमेजिंग की आवश्यकता को जन्म दिया है। सबवेवलेंथ इमेजिंग को प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के नीचे किसी वस्तु या जीव का विवरण देखने की क्षमता होती है (उपरोक्त अनुभागों में चर्चा देखें)। दूसरे शब्दों में, 200 नैनोमीटर से कम वास्तविक समय में निरीक्षण करने की क्षमता होना। प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी एक गैर-इनवेसिव तकनीक और तकनीक है क्योंकि हर रोज प्रकाश संचरण माध्यम है। प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी (सबवेवलेंथ) में प्रकाशिकी सीमा के नीचे इमेजिंग को सेल (जीव विज्ञान) और सिद्धांत रूप में नैनोटेक्नोलॉजी के लिए इंजीनियर किया जा सकता है।

उदाहरण के लिए, 2007 में एक तकनीक का प्रदर्शन किया गया था जहां एक पारंपरिक प्रकाशिकी लेंस के साथ एक नकारात्मक सूचकांक मेटामटेरियल्स | मेटामटेरियल्स-आधारित लेंस दृश्यमान प्रकाश को देखने के लिए हेरफेर कर सकता है (नैनोस्कोपिक स्केल) पैटर्न जो एक साधारण प्रकाशिकी माइक्रोस्कोप के साथ देखे जाने के लिए बहुत छोटा था। इसमें न केवल एक संपूर्ण कोशिका (जीव विज्ञान), या कोशिका (जीव विज्ञान) # कार्यों को देखने के लिए संभावित अनुप्रयोग हैं, जैसे प्रोटीन और वसा कोशिकाओं के अंदर और बाहर कैसे चलते हैं। प्रौद्योगिकी क्षेत्र में, इसका उपयोग फोटोलिथोमुद्रण और नैनोलिथोमुद्रण के पहले चरणों में सुधार करने के लिए किया जा सकता है, जो कभी सूक्ष्म कंप्यूटर चिप्स के निर्माण के लिए आवश्यक है। सबवेवलेंथ पर ध्यान केंद्रित करना एक अद्वितीय प्रकाशिकी इमेजिंग तकनीक बन गई है जो देखी गई वस्तु पर उन विशेषताओं के दृश्य की अनुमति देती है जो उपयोग में फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य से छोटी होती हैं। फोटोन प्रकाश की न्यूनतम इकाई है। जबकि पहले शारीरिक रूप से असंभव माना जाता था, मेटामटेरियल्स के विकास के माध्यम से सबवेवलेंथ इमेजिंग संभव हो गई है। यह सामान्यतः धातु की एक परत का उपयोग करके पूरा किया जाता है जैसे कि सोने या चांदी में कुछ परमाणु मोटे होते हैं, जो सुपरलेन्स के रूप में कार्य करता है, या 1डी और 2डी फोटोनिक क्रिस्टल के माध्यम से। नीचे के अनुभागों में चर्चा की गई तरंगों के प्रसार, क्षणिक तरंगों, निकटतम क्षेत्र इमेजिंग और दूर क्षेत्र इमेजिंग के बीच एक सूक्ष्म परस्पर क्रिया है।

प्रारंभिक सबवेवलेंथ इमेजिंग

मेटामटेरियल लेंस (सुपरलेंस) प्रत्येक उदाहरण में नकारात्मक अपवर्तक सूचकांक का उत्पादन करके नैनोमीटर आकार की छवियों का पुनर्निर्माण करने में सक्षम हैं। यह तेजी से सड़ने वाली क्षणभंगुर तरंगों की भरपाई करता है। मेटामटेरियल्स से पहले, सुपर-विश्लेषण सूक्ष्मदर्शी बनाने के लिए कई अन्य तकनीकों का प्रस्ताव दिया गया था और यहां तक ​​​​कि प्रदर्शित भी किया गया था। जहां तक ​​1928 की बात है, आयरिश भौतिक विज्ञानी एडवर्ड हचिंसन सिन्ज को इस विचार की कल्पना करने और विकसित करने का श्रेय दिया जाता है कि अंततः निकटतम -क्षेत्र स्कैनिंग प्रकाशिकी माइक्रोस्कोप | नियर-फील्ड स्कैनिंग प्रकाशिकी सूक्ष्मदर्शी क्या होगा।

1974 में द्वि-आयामी निर्माण तकनीकों के प्रस्ताव प्रस्तुत किए गए थे। इन प्रस्तावों में उपयुक्त समतल (ज्यामिति) सब्सट्रेट पर राहत, फोटोलिथोमुद्रण , इलेक्ट्रॉन लिथोमुद्रण , एक्स-रे लिथोमुद्रण , या आयन बमबारी में एक पैटर्न बनाने के लिए संपर्क लिथोमुद्रण सम्मिलित थी। मेटामटेरियल लेंस के साझा तकनीकी लक्ष्यों और लिथोमुद्रण की विविधता का उद्देश्य प्रकाशिकी संकल्प सुविधाओं का है, जो उजागर प्रकाश के वैक्यूम तरंगदैर्ध्य की तुलना में बहुत सूक्ष्म आयाम हैं।1981 में दृश्यमान स्पेक्ट्रम (400 नैनोमीटर) के साथ प्लानर (फ्लैट) सब सूक्ष्म धातु पैटर्न की संपर्क इमेजिंग की दो अलग-अलग तकनीकों का प्रदर्शन किया गया। एक प्रदर्शन के परिणामस्वरूप 100 एनएम का छवि विश्लेषण और दूसरा 50 से 70 एनएम का विश्लेषण हुआ।

1995 में, जॉन गुएरा ने एक पारंपरिक माइक्रोस्कोप विसर्जन उद्देश्य के साथ 50 एनएम लाइनों और रिक्त स्थान (मेटामटेरियल्स ) वाले एक पारदर्शी झंझरी को संयोजित किया। परिणामी सुपरलेन्स ने एक सिलिकॉन नमूने को हल किया जिसमें 50 एनएम लाइनें और रिक्त स्थान थे, जो हवा में 650 एनएम तरंग दैर्ध्य वाली रोशनी द्वारा लगाए गए पारम्परिक विवर्तन सीमा के बाहर थे।

कम से कम 1998 के बाद से निकटतम और दूर क्षेत्र प्रकाशिकी लिथोमुद्रण को नैनोमीटर-स्केल सुविधाओं को बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। इस तकनीक पर अनुसंधान जारी रहा क्योंकि 2000-2001 में पहला प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित नकारात्मक सूचकांक मेटामटेरियल्स अस्तित्व में आया। नैनोमीटर-स्केल अनुप्रयोगों के लिए नई सहस्राब्दी की शुरुआत में इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोमुद्रण की प्रभावशीलता पर भी शोध किया जा रहा था। नैनोइमप्रिंट लिथोमुद्रण को नैनोमीटर-स्केल्ड अनुसंधान और प्रौद्योगिकी के लिए वांछनीय लाभ दिखाया गया था।

उन्नत गहरी फोटोलिथोग्राफ़ी अब सब-100 एनएम विश्लेषण प्रदान कर सकती है, फिर भी न्यूनतम फ़ीचर आकार और पैटर्न के बीच की दूरी प्रकाश की विवर्तन सीमा द्वारा निर्धारित की जाती है। इसकी व्युत्पन्न प्रौद्योगिकियां जैसे निकटतम और दूर क्षेत्र | निकटतम -क्षेत्र लिथोमुद्रण , निकटतम -क्षेत्र हस्तक्षेप लिथोमुद्रण , और चरण-स्थानांतरण मुखौटा लिथोमुद्रण जैसे विवर्तन सीमा को पार करने के लिए विकसित की गईं।

वर्ष 2000 में, जॉन पेंड्री ने दृश्यमान स्पेक्ट्रम के तरंग दैर्ध्य के नीचे ध्यान केंद्रित करने के लिए नैनोमीटर-स्केल्ड इमेजिंग प्राप्त करने के लिए मेटामटेरियल्स लेंस का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया।

विवर्तन सीमा का विश्लेषण

सही लेंस की मूल समस्या: किसी स्रोत से निकलने वाले विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के सामान्य विस्तार में प्रसार तरंगें और निकटतम -क्षेत्र या क्षणभंगुर तरंगें होती हैं। एक विद्युत क्षेत्र के साथ 2-डी लाइन स्रोत का एक उदाहरण जिसमें एस-ध्रुवीकरण होता है, जिसमें समतल तरंगें होती हैं जिनमें प्रसार और अपवर्तक घटक होते हैं, जो इंटरफ़ेस के समानांतर आगे बढ़ते हैं।जैसा कि प्रसार और छोटी अपस्फीति तरंगें दोनों माध्यम इंटरफ़ेस के समानांतर एक दिशा में आगे बढ़ती हैं, प्रसार की दिशा में वाष्पशील तरंगें क्षय होती हैं। साधारण (सकारात्मक सूचकांक) प्रकाशिकी तत्व प्रसार घटकों को पुनः फोकस कर सकते हैं, लेकिन तेजी से क्षय होने वाले अमानवीय घटक सदैव खो जाते हैं, जिससे एक छवि पर ध्यान केंद्रित करने के लिए विवर्तन सीमा बढ़ जाती है।

एक सुपरलेन्स एक लेंस है जो निकटतम और दूर क्षेत्र के आवर्धन की अनुमति देते हुए सबवेवलेंथ इमेजिंग में सक्षम है। तथाकथित विवर्तन सीमा के कारण परंपरागत लेंसों में एक तरंग दैर्ध्य के क्रम पर एक कोणीय संकल्प होता है। यह सीमा बहुत छोटी वस्तुओं की इमेजिंग में बाधा डालती है, जैसे कि व्यक्तिगत परमाणु, जो दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से बहुत सूक्ष्म होते हैं। एक सुपरलेंस विवर्तन सीमा को पार करने में सक्षम है। एक उदाहरण पेंड्री द्वारा वर्णित प्रारंभिक लेंस है, जो फ्लैट लेंस के रूप में अपवर्तन के नकारात्मक सूचकांक के साथ सामग्री के एक स्लैब का उपयोग करता है। सिद्धांत रूप में, एक संपूर्ण लेंस सही फोकस (ऑप्टिक्स) करने में सक्षम होगा - जिसका अर्थ है कि यह छवि विमान पर स्रोत विमान के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को पूरी तरह से पुन: पेश कर सकता है।

संकल्प पर प्रतिबंध के रूप में विवर्तन सीमा

पारंपरिक लेंसों की प्रदर्शन सीमा विवर्तन सीमा के कारण होती है। पेंड्री (2000) के बाद विवर्तन सीमा को इस प्रकार समझा जा सकता है। एक वस्तु और एक लेंस पर विचार करें जिसे z-अक्ष के साथ रखा गया है जिससे कि वस्तु से किरणें +z दिशा में यात्रा कर रही हों। वस्तु से निकलने वाले क्षेत्र को उसके कोणीय स्पेक्ट्रम विधि के संदर्भ में समतल तरंगों के सुपरपोज़िशन सिद्धांत के रूप में लिखा जा सकता है:

$E(x,y,z,t)=\sum _{k_{x},k_{y}}A(k_{x},k_{y})e^{i\left(k_{z}z+k_{y}y+k_{x}x-\omega t\right)},$

कहाँ $k_{z}$ का एक कार्य है $k_{x},k_{y}$:

$k_{z}={\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.$

केवल धनात्मक वर्गमूल लिया जाता है क्योंकि ऊर्जा +z दिशा में जा रही है। छवि के कोणीय स्पेक्ट्रम के सभी घटक जिसके लिए $$