كيف تمرر الضوء عبر ثقب الإبرة دون أن يتسع؟ ✛ ✎

الأصل: "Focusing of light beyond the diffraction limit"
· K. R. Chen
arXiv:0901.4623 · 2009-01-29 · arXiv non-exclusive · تحليل مستقل · 1 دقيقة
عدسة بلازمونية بشقّين تركّز الضوء في خط عرضه أقل من نصف طول الموجة، ويواصل هذا الضوء انتشاره بعيدًا بدلًا من أن يخمد عند السطح.

شعاع مصباح يدوي، بعد مروره عبر شق ضيق، لا يبقى شريطًا رفيعًا، بل ينتشر جانبًا. من طبيعة الضوء أن ينحني حول حواف العوائق، ولهذا السبب فإن أصغر بقعة ضوئية يمكن الحصول عليها بعدسة عادية لا تقل عن نصف طول الموجة. بدا هذا الحدّ عصيًا على الكسر، حتى ظهرت فكرة تمرير الضوء عبر ثقب إبرة مع إبقائه رفيعًا.

بدلًا من شق واحد في الغشاء الفضي، صُنع شقّان عرض كل منهما 80 نانومترًا فقط، وبجانبهما حُفرت أخاديد. الضوء الساقط على هذه البنية يثير على سطح المعدن موجاتٍ من الإلكترونات تعمل كموجّهات غير مرئية.

هذه الموجات السطحية تلتقط الضوء المارّ وتثنيه نحو المركز، مثل يدين تضغطان على نفّاثة ماء. ونتيجة لذلك، يتشكّل خلف الغشاء خط ضوئي لا ينتشر، بل على العكس يضيق. في لحظة أقصى انضغاط، يكون عرضه 0.286 من طول الموجة، بينما الحدّ للعدسات العادية هو 0.5.

سابقًا، كانت محاولات مماثلة تصطدم بأن الضوء المضغوط يبقى ملتصقًا بالسطح ولا يمكنه الابتعاد. هنا، تُظهر الحسابات أن تدفق الطاقة موجّه بعيدًا عن الغشاء، مما يعني أن الضوء المركّز قادر على الانتشار لمسافة. الأمر كما لو أن نفّاثة، بعد مرورها عبر ثقب إبرة، لا تتناثر فورًا بل تواصل الطيران في حزمة رفيعة.

هذا النهج قد يفيد في كل مكان تتطلب العمل مع تفاصيل دقيقة جدًا: في صناعة الرقائق الدقيقة، وتسجيل البيانات، ومراقبة الخلايا الحية. الضوء الذي تعلّمنا تمريره عبر ثقب الإبرة وإبقاءه رفيعًا يفتح الطريق أمام أجهزة ترى ما هو أصغر من طول الموجة.

وصف ليوناردو دا فينشي الحيود لأول مرة في القرن الخامس عشر، وقدم فرانشيسكو غريمالدي وصفاً دقيقاً في القرن السابع عشر. عرض الشق في العدسة المحاكاة (80 نانومتر) أقل من طول موجة الضوء (633 نانومتر) بنحو 8 مرات.

العلماء
William Lawrence BraggMichael FaradayHendrik LorentzWillebrord Snellius
المفاهيم
بؤرة العدسة تركيز الحزمة الحيود شعاع ضوئي تبعثر الضوء مرشح ضوئي خط الرؤية تشتت العدسية الميكروية الفحص المجهري الضوئي سطوع مجال الرؤية مرآة ليزر فوق بنفسجي العدسة التثاقلية عرض الخط تألق النفاذية اختراع الليزر