Оптическое разрешение микроскопов ограничено законами оптики — так называемым дифракционным пределом, что при большом увеличении также заставляет практически впритык располагать образцы под микроскопом. В то же время учёные осваивают визуализацию методом интерферометрии, например, наблюдая за чёрными дырами виртуальным телескопом Горизонта событий размерами с целую планету. С оптикой всё сложнее, но прорыв возможен и достижим.

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Источник изображения: UConn

Так, исследователи из Университета Коннектикута (UConn) разработали новый оптический датчик изображения под названием Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI). Эта технология вдохновлена тем самым массивом телескопов Горизонта событий, который впервые сфотографировал чёрную дыру. Теперь похожая технология позволяет преодолевать фундаментальные оптические ограничения без использования линз и чрезвычайно сложной физической синхронизации массива отдельных оптических датчиков.

Технология MASI работает на основе массива программируемых сенсоров, размещённых или ориентированных на разные слои дифракционной плоскости. Каждый сенсор независимо захватывает сырые дифракционные паттерны света, содержащие информацию как об амплитуде (яркости), так и о фазе волны отражённого от объекта света. Затем алгоритмы восстанавливают сложные волновые поля отражённого от наблюдаемого объекта света, программно синхронизируя данные от всех сенсоров и, тем самым, воссоздают изображение.

В демонстрации эта технология позволила достигать субмикронного разрешения (на уровне микрометров и ниже) при съёмке с расстояния в несколько сантиметров. Это как изучать строение волоска на теле человека с расстояния пары метров. Кто хоть раз работал с оптическим микроскопом и образцами с объективами на 40 крат и выше — те оценят. Для медицины подобное облегчит проведение наблюдений на теле и органах человека, что ранее требовало среза тканей.

Самое важное в технологии MASI — она не требует строжайшего выравнивания датчиков и позволяет линейное масштабирование. Добиться большего разрешения намного проще всего лишь добавлением новых сенсоров в систему. Всё остальное сделают алгоритмы.

Применение представленной технологии обширное — от здравоохранения и биологических исследований до контроля качества продукции на производстве, криминалистики и много где ещё, где необходимо высокое оптическое разрешение без дорогой оптики и сложного оборудования.

Исследования, за которые была присуждена Нобелевская премия по физике в 2023 году, легли в основу для разработки «аттомикроскопа», способного «задержать» течение времени до шага в одну аттосекунду. Это переводит учёных во временные масштабы жизни электронов — позволяет буквально увидеть их движение, о чём раньше можно было только мечтать. Созданное в Университете Аризоны устройство стало первым, которое обеспечило подобную детализацию субатомного мира.

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Представление одного электрона в движении. Источник изображений: Science Advances

В каждой секунде 10¹⁸ аттосекунд. Это намного больше, чем прошло секунд с момента Большого взрыва. Проникнуть в такой масштаб времени означает приблизиться к точным измерениям для нужд квантовых наук и фундаментальных исследований. Ранее рекордом «заморозки» времени был масштаб 43 аттосекунды. Учёные из США создали микроскоп, который сократил его до 1 аттосекунды.

Работа учёных опиралась на достижения нобелевских лауреатов физиков Анн Л'Юилье (Anne L’Huillier), Ференца Крауса (Ferenc Krausz) и Пьера Агостини (Pierre Agostini) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электрона в материи». Это была мечта множества научных коллективов и, фактически, лишь вопрос времени. Похоже, американцы успели первыми создать «аттосекундный» микроскоп, что не исключает появление подобных приборов в остальных странах.

Блок схема «аттомикроскопа»

Принцип работы устройства учёные описали в статье в журнале Science Advances. В установку подаётся импульс ультрафиолетового лазера. Лазер выбивает из фотокатода сверхбыстрый электронный импульс. По второму каналу подаётся два других лазерных импульса, один из которых поляризуется, а второй служит накачкой для «оживления» электронов в образце. Поляризованный импульс стробирует быстрый электронный импульс и это даёт точку отсчёта для измерений, которые записываются на выходе микроскопа в виде дифракционной картины электронной динамики вещества.

Используя эту технику, команда смогла генерировать электронные импульсы продолжительностью всего в одну аттосекунду, что позволило им наблюдать сверхбыстрое движение электронов, которое обычно невозможно увидеть. Исследователи говорят, что этот прорыв может найти применение в квантовой физике, химии и биологии.