Команда ученых из Института радиотехники и электроники им. Котельникова и Саратовского государственного университета им. Чернышевского впервые зафиксировала эффект сверхразрешения в анизотропных средах (это среды, свойства которых различаются в зависимости от направления). Результаты эксперимента доказали возможность преодоления дифракционного предела. Исследование опубликовано в журнале «Успехи физических наук».
Дифракционный предел представляет собой базовый физический барьер, не позволяющий увидеть объекты, размеры которых меньше длины используемой волны. Это ограничение, известное как критерий Рэлея, было математически обосновано Джоном Уильямом Рэлеем еще в 1879 году.
Из-за этого физического закона объекты, размер которых меньше длины волны, становятся «невидимыми» для излучения. Например, метровые радиоволны просто огибают десятисантиметровый предмет, не создавая заметной тени, а обычные оптические микроскопы не способны разглядеть вирусы (20-200 нм), так как их размеры значительно меньше длины световой волны (400-700 нм).
Закономерность справедлива для изотропных сред, где физические свойства пространства не меняются в зависимости от направления распространения излучения. В таких условиях параметры волны остаются постоянными, и степень расхождения луча, определяемая критерием Рэлея, напрямую зависит лишь от соотношения длины волны к габаритам источника, сохраняя одинаковые значения вне зависимости от вектора движения луча.
В анизотропных средах ситуация меняется. Так, свойства волны там варьируются в зависимости от направления. Расходимость луча определяется уже не только соотношением длины волны и габаритов излучателя, но и тем, в какую именно сторону движется поток энергии.
Более того, выяснилось, что при специфических характеристиках анизотропной среды световой пучок способен сохранять неизменную ширину, не рассеиваясь с расстоянием: так формируется сверхнаправленный луч. При наличии такого направления в среде проявляется эффект сверхразрешения, позволяющий фиксировать объекты, которые меньше длины самой волны.
В ходе эксперимента ученые применили ферритовую пленку, в которой распространяются спиновые волны (магноны), создав в ней отверстие диаметром 250 мкм. Несмотря на то что длина волны в 3-5,5 раз превышала размер этого отверстия — что, согласно классическому критерию Рэлея, должно было сделать его «невидимым» — исследователи наблюдали иную картину. Благодаря специфическим свойствам анизотропной среды, обеспечивающей сверхнаправленное распространение волн, за отверстием возникла четкая тень, подтвердив наличие эффекта сверхразрешения даже для объектов, которые значительно меньше длины волны.
Обнаруженный эффект универсален. При соблюдении определенных условий, описанных в исследовании, сверхразрешение может быть достигнуто для волн любой природы, если они распространяются в анизотропной среде.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как на Большом адронном коллайдере обнаружили признаки «новой физики».
