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Une « superlentille » pour voir des objets plus petits que la lumière

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Pour la première fois, une image d'un objet en "champ proche" a pu être obtenue avec une superlentille. Capables de reproduire l'image même si l'objet est plus petit que la longueur d'onde de la lumière qui l'éclaire, les superlentilles, introduites dans un microscope, augmentent très fortement sa capacité. Un progrès pour l'imagerie biologique.

Image de microscopie en champ proche avec une superlentille.

L'imagerie des systèmes « sub-longueur d'ondes » reste un extraordinaire champ de recherche. Une équipe internationale de chercheurs du Max Planck Institute for Biochemistry (MPI) et de l'université du Texas (Austin) a pour la première fois pu intégrer une superlentille dans un microscope (1) . Les physiciens ont produit ainsi des images de trous de l'ordre de 500 nanomètres de diamètre (nm) - la lumière visible s'étendant de 38 à 780 nm. Or la résolution des microscopes optiques conventionnels est soumise à la "limite de Rayleigh" : on n'est pas capable de produire d'un point source une image de dimension très inférieure à la longueur d'onde de la lumière.

On est en fait limité dans le « champ proche » c'est-à-dire la zone de lumière contenant les plus petites longueurs d'ondes dont la valeur correspond aux « détails » d'un objet, alors que pour le champ « lointain » il est facile de les re-focaliser avec une lentille conventionnelle. En clair, les microscopes optiques ne peuvent pas « voir » (et grossir) des objets deux fois plus petits que la longueur d'onde de la lumière utilisée pour les éclairer.

Etudier les nanostructures

Il existe bien les SNOM, pour « scanning near-field optical microscopes », qui sont capables d'aller sous cette limite pour produire une image en deux dimensions de la surface d'un objet ligne par ligne. Mais seulement en intervenant au contact de l'objet. Ils ne peuvent donc pas être employés lorsque le contact avec l'échantillon observé risque de le détériorer, surtout quand celui-ci est fragile comme par exemple un échantillon biologique telles des cellules vivantes.

Idée des scientifiques américains : « booster » le SNOM avec une superlentille. Caractéristique: une telle lentille possède un indice de réfraction négatif, et permet de s'affranchir de la limite de Rayleigh. Ici la lentille plane (880 nm d'épaisseur en tout) est faite d'un film mince de carbure de silicium (SiC) de 440 nm, placé entre deux couches d'oxyde de silicium (SiO2) de 220 nm. Une couche d'or de 60 nm d'épaisseur seulement percée de trous de diverses dimensions, a été placée sous la lentille.

Ils ont ainsi démontré que l'on peut « voir » au sein de nanostructures, et ici précisément il s'agit de voir un trou de 540 nm en utilisant une lumière de 1 μm focalisée avec la super lentille. Le trou est environ 20 fois plus petit que la longueur d'onde de la lumière qui l'éclaire !

« Nous pensons pouvoir obtenir une résolution encore plus fine, en réduisant le film de SiC à une épaisseur de 50 ou 100 nm » a déclaré Gennady Shvets, professeur associé de l'université du Texas.

(1) "Near-Field Microscopy Through a SiC Superlens " Thomas Taubner, Dmitriy Korobkin, Yaroslav Urzhumov,Gennady Shvets, Rainer Hillenbrand, Science 15 September 2006, Vol. 313. no. 5793, p. 1595

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