Металинза сфокусировала экстремальный ультрафиолет

Физики из Австрии и США изготовили кремниевую металинзу для экстремального ультрафиолета и сфокусировали с ее помощью свет с длиной волны 50 нанометров. Они обошли проблему слабого оптического контраста, найдя условия, при которых показатель преломления кремния существенно меньше единицы и поглощение не слишком велико. Размер пятна в эксперименте был немного меньше микрометра, но в перспективе его можно будет сделать менее ста нанометров, что повысит точность фотолитографии в экстремальном ультрафиолете. Исследование опубликовано в Science.

Экстремальным (сверхжестким) ультрафиолетом называют диапазон электромагнитного излучения, лежащий между 10 и 121 нанометрами по шкале длин волн (или между 10 и 124 электронвольтами по шкале энергии фотона). Такое излучение очень нужно физикам, чтобы изучать фотоионизацию атомов, молекул и экситонов — в этом же диапазоне лежат переходы в ридберговские состояния у некоторых атомов, а также происходит возбуждение остова в молекулах.

Все это обуславливает сложность создания оптических элементов в области экстремального ультрафиолета — известные материалы рано или поздно перестают быть для него прозрачными по мере уменьшения длины волны, а их показатель преломления стремится к единице. Чтобы как-то с этим бороться, физики пытаются использовать метаматериалы. С помощью металинз ученым удается фокусировать свет с длиной волны около 250 нанометров.

Применение нелинейных метаматериалов сдвинуло эту границу ниже 200 нанометров, но манипулировать экстремальным ультрафиолетом таким способом пока не удается. Причина этого в том, что работа металинз основана на манипуляциях фазой света на наномасштабе. При этом важную роль играет разница между оптической плотностью элементов и среды, в которой они находятся — воздуха или вакуума. Для экстремального ультрафиолета эта разница стремится к нулю.

Группа физиков из Австрии и США под руководством Маркуса Оссиандера (Marcus Ossiander) из Гарвардского университета решила эту проблему радикальным способом. Дело в том, что по мере движения по диапазону в сторону коротких длин волн показатель преломления не только убывает, но и иногда опускается ниже единицы. Здесь нет никакого противоречия со специальной теорией относительности, поскольку показатель преломления равен отношению скорости света к фазовой, а не групповой скорости. Важно, что в этот момент оптический контраст между веществом и вакуумом снова может стать существенным, чем и воспользовались ученые.

Для своего эксперимента авторы выбрали кремний, у которого на длине волны 50 нанометров реальная часть показателя преломления равна 0,77, а мнимая часть — показатель поглощения — 0,02, что достаточно мало. Физики рассматривали задачу о прохождении такого света через квадратный участок кремниевой пластины шириной 120 нанометров и толщиной 220 нанометров с цилиндрическим отверстием посередине диаметром 80 нанометров. Оказалось, что в такой конфигурации две трети излучения проходят через элемент без потерь.

Более того, с помощью изменения диаметра отверстия ученые добились контроля фазы прошедшего света в широком (1,5π) диапазоне. Это позволило им создать библиотеку таких «метаатомов», с помощью которой можно сформировать почти любой волновой фронт. Для линзирования они выбрали гиперболический фазовый профиль — такой же фронт создают некоторые асферические линзы. Дальше с помощью электронно-лучевой литографии физики сформировали круглую металинзу, создав нужный массив отверстий в виде квадратной решетки с периодом 120 нанометров.

Для проверки работоспособности металинзы авторы направляли на нее часть света, родившегося в результате генерации высших гармоник в аргоновом газе, который они накачивали с помощью мощного инфракрасного лазера. В этом эксперименте линза сфокусировала свет на расстоянии 10 миллиметров с числовой апертурой равной 0,05. Оценка области перетяжки пучка дала значение 0,7±0,3 микрометра, что примерно в полтора раза больше, чем дифракционный предел при таких условиях.

В заключительной части работы физики попытались представить себе с помощью моделирования, как бы работала аналогичная металинза диаметром шесть микрометров с фокусным расстоянием, равным 10 микрометрам, и апертурой, равной 0,2. Оказалось, что такой оптический элемент смог бы сфокусировать луч экстремального ультрафиолета в область чуть менее 100 нанометров. Аналогичный анализ для зонной пластинки с теми же параметрами показал, что конфигурация линзы выигрывает в интенсивности в фокусе на девять процентов. Авторы уверены, что металинзы такого типа смогу помочь в изготовлении более компактных транзисторов, печать которых опирается на фотолитографию в экстремальном ультрафиолете.

Проблемы с линзированием возникают и в рентгеновской оптике. Недавно мы рассказывали, как швейцарские физики изготовили первый в мире ахроматический объектив для этого диапазона.