Сверхвысокое разрешение в микроскопии стало возможно без флуоресценции
Физикам удалось получить двумерное изображение предмета с разрешением, превосходящим дифракционный предел. В отличие от существующих техник, протестированная авторами схема подходит для любых предметов и не требует непосредственного контакта с ними, что очень важно для исследования дальних объектов в астрономии и для неинвазивных измерений в биологии. Препринт работы опубликован на arXiv.org.
Микроскоп — один из самых популярных и информативных инструментов исследователей. К сожалению, максимальное разрешение оптических микроскопов не превосходит 200 нанометров, и дело не в несовершенстве существующих устройств, а в фундаментальном теоретическом пределе, называемом дифракционным. Качество изображения, полученного с помощью обычного микроскопа, зависит от того, насколько хорошо его объектив может собирать свет (это свойство характеризует числовая апертура). При достаточно малом расстоянии между двумя предметами, их изображения в микроскопе сливаются даже при высоких значениях числовых апертур. В некоторых случаях для увеличения числовой апертуры пространство между предметом и объективом заполняют жидкостью с показателем преломления большим, чем у воздуха — такая техника называется иммерсионной микроскопией.
Обойти дифракционный предел ученым удалось благодаря разработке совершенно новых способов получения изображения — сканирование предмета непосредственно у поверхности (ближнепольная микроскопия) или использование флуоресцентного излучения (например, STED-микроскопия). Несмотря на высокие разрешающие способности, оба метода подходят далеко не для любого объекта: либо должна быть возможность помещать близко к нему зонд, используемый ближнепольной микроскопией, либо этот объект должен флуоресцировать на определенной длине волны. Для второго случая в биологии используют специальные флуоресцентные метки, которые «пришивают» к нужным участкам образца и изучают излучения от этих меток. Понятно, что в астрономии или неинвазивном исследовании биологических структур ни один из методов не применим.
Весомым шагом в развитии универсального способа получения изображений в оптическом диапазоне стала теоретическая работа о возможности нарушения дифракционного предела в дальнем поле. Ученым из Оксфордского университета под руководством Александра Львовского (Alex Lvovsky) удалось развить эту идею и реализовать ее на практике. Авторы собрали оптическую схему для получения изображений сверхвысокого разрешения, измеряя не просто интенсивность приходящего излучения, а пространственные корреляции оптических мод. Полученные результаты превзошли не только стандартный метод прямого получения изображения на камере, но и тот же метод с дополнительной постобработкой изображения (кстати, похожие алгоритмы используют современные смартфоны для улучшения качества снимков).
Один из способов извлечения информации о сложном объекте заключается в том, чтобы спроецировать его на какие-то известные составляющие и потом посмотреть вклад каждой из них. В случае оптических пучков часто используют разложение по базису Эрмита-Гаусса. Любое изображение можно разложить на совокупность оптических мод, измерить вклад каждой из них и восстановить начальное изображение. Для того чтобы реализовать такой трюк, авторы делили исходный пучок лазера на два: один шел непосредственно на объект, а второй на пространственный модулятор света (ПМС). Он умеет модулировать свет и создавать любые заданные формы пучка, то есть генерировать пространственные моды-базисные вектора. Оба разошедшихся пучка после преобразований — отражением от предмета или модуляцией — снова встречаются на светоделителе для гетеродинного детектирования. Как раз оно и позволяет «спроецировать» световой пучок от предмета на одну из мод, идущих от пространственного модулятора и следить не только за интенсивностью сигнального пучка, но и за его фазой. Итоговый фототок от детекторов несет в себе необходимую информацию о взаимодействии сигнального пучка с определенной пространственной модой.
Следующий этап эксперимента был посвящен расшифровке полученных от детектора данных. Распределение фототоков после проекции изображения на 21 пространственную моду авторы трансформировали в итоговую картинку с помощью машинного обучения. Нейросеть, состоящая из двух скрытых слоев по шесть тысяч нейронов в каждом, тренировалась на случайных изображениях и простых геометрических формах. Ее цель — подогнать итоговую картинку не к настоящему изображению предмета, а к картинке, которая получилась бы с идеальными пространственными модами. Таким образом удавалось нивелировать систематические ошибки и шумы установки. Важно, что обучение нейросети необходимо проводить не для каждого отдельного изображения, а именно для определенной оптической схемы.
Ученые сравнивали изображения логотипа своего университета, полученные в их установке, с изображением камеры высокого разрешения. Даже постобработка изображений с камеры не позволяла получить изображения такого же качества. Для количественной характеристики разрешения разработанной техники, авторы сравнивали изображения двух параллельных линий с разным расстоянием между ними. Кроме того, они получили зависимость минимального разрешаемого расстояния между линиями при разном числе используемых мод. Уже пяти мод достаточно для того, чтобы преодолеть дифракционный предел, а при 21 удается получить изображения от линий с расстоянием вдвое меньшим дифракционного предела.
Микроскопия Эрмита-Гаусса — простая в реализации и недорогая альтернатива существующим сверх разрешающим методам, а ее универсальность позволит добраться до сфер, которые раньше оказывались недоступны. Помимо этого, комбинации разработанного метода с уже существующим может привести к получению еще более высокого разрешения и привести к развитию новых направлений микроскопии.
Посмотреть на что способна оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения, использующая флуоресценцию, можно тут или тут, а узнать о современных методах, которые позволяют обойти дифракционный предел, в работах о золотой пирамиде для микроскопии в ближнем поле, веерообразной линзе или о наночастицах, способных работать как нанолазер.
Оксана Борзенкова
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.