Анизотропные кристаллы помогут обнаружить «невидимые» объекты
Российские физики обнаружили эффект сверхразрешения — возможность наблюдать объекты, размеры которых меньше длины волны, используемой для наблюдения объекта. В будущем открытие этого эффекта, возможно, позволит разработать микроскопы, обладающие значительно большей разрешающей способностью, а также создать системы контроля качества с более высокой разрешающей способностью в микроэлектронике, машиностроении и медицине.
Сотрудники Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Эдвин Локк, Сергей Герус и сотрудник Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского Александр Садовников впервые экспериментально и теоретически обнаружили существование эффекта сверхразрешения в анизотропных средах и доказали возможность преодоления дифракционного предела. Научная работа опубликована в журнале «Успехи физических наук» (апрель, 2026).
Как объяснили исследователи, дифракционный предел — это фундаментальное физическое ограничение, согласно которому невозможно различить объект с помощью волны, если размеры объекта меньше длины волны. Это фундаментальное ограничение сформулировал Джон Уильям Рэлей в 1879 году в форме критерия, который до сих пор называют критерием разрешимости Рэлея.
Согласно этому ограничению, например, метровые радиоволны, распространяясь в воздушном пространстве и падая на объект диаметром 1 дм, не образуют «тени», по которой можно было бы заметить этот объект даже на небольшом расстоянии. Это же ограничение не позволяет различать вирусы размерами 20–200 нм даже в самые сильные оптические микроскопы, поскольку длина волны видимого света (400–700 нм) намного больше размеров вирусов.
Описанное выше положение дел характерно для случая, когда объект и волна, используемая для его наблюдения, находятся в изотропной (по отношению к данной волне) среде, то есть, в среде, в которой параметры волны (например, длина волны) одинаковы во всех направлениях. В такой среде угловая ширина луча (показывающая как сильно луч расширяется по мере распространения) зависит только от отношения длины волны к размерам возбудителя (или антенны) и имеет одинаковую величину (определяемую критерием Рэлея) при распространении луча в любом направлении изотропной среды.
Возникновение сверхразрешающей тени (3) при падении сверхнаправленного луча (1) спиновой волны на отверстие (2) в ферритовой пленке (эксперимент)
Иное положение дел, как показали исследователи, имеет место в анизотропной (по отношению к данной волне) среде, в которой параметры волны (например, длина волны) различны в разных пространственных направлениях среды, а угловая ширина луча зависит не только от отношения длины волны к размерам возбудителя, но и от пространственного направления, в котором распространяется луч.
Более того, как оказалось, при определённых параметрах анизотропной среды луч может вообще не расширяться по мере распространения, сохраняя свою абсолютную ширину, то есть, может возникать сверхнаправленное распространение волны или сверхнаправленный луч. Исследователи обнаружили, что если в среде существует направление сверхнаправленного распространения волны, то в этом направлении будет возникать эффект сверхразрешения — возможность наблюдать объекты, размеры которых меньше длины волны.
В эксперименте в качестве анизотропного материала исследователи использовали ферритовую плёнку (Y₃Fe₅O₁₂), в которой распространяются колебания намагниченности, также известные как спиновые волны или магноны. В плёнке толщиной 16,56 мкм исследователи сделали отверстие диаметром 250 мкм. При этом длина спиновой волны составила от 793 до 1385 мкм — то есть была в 3–5,5 раз больше диаметра отверстия. В соответствии с классическим критерием Рэлея такие спиновые волны, падая на отверстие, не должны были создавать за ним никакой тени. Однако, поскольку в используемой среде существовало направление сверхнаправленного распространения волны, то в этом направлении исследователи зафиксировали эффект сверхразрешения — отчётливую тень от отверстия на большом расстоянии от него.
«В работе впервые продемонстрировано возникновение эффекта сверхразрешения, при котором отчётливая, практически нерасширяющаяся тень от точечного объекта наблюдается на расстояниях, значительно (на 1–2 порядка) превышающих значения, полученные на основе критерия разрешимости Рэлея. […] В прикладном отношении использование эффекта сверхразрешения, по-видимому, позволило бы наблюдать объекты, размеры которых намного меньше длины волны», — сообщается в статье.
Этот эффект, подчеркнули исследователи, работает для любых волн в анизотропных средах при определённых условиях, которые были открыты авторами и подробнее сформулированы в их работе.
Таким образом, выполненное исследование может открыть путь к созданию приборов, которые способны видеть то, что прежде было скрыто от наблюдения из-за фундаментальных ограничений физики. Использование анизотропной среды (например, анизотропного газа или жидкости, в которые был бы помещён исследуемый объект), возможно, позволит значительно увеличить разрешающую способность волн, используемых для наблюдения и изучения объекта, что, по-видимому, даст возможность обнаруживать и изучать более мелкие детали в различных объектах машиностроения, микроэлектроники, биологии и медицины.
Работа выполнена при поддержке государственного задания ИРЭ РАН и гранта Российского научного фонда (проект № 23-29-30027).
