A nova pesquisa da ECE em Illinois está avançando no campo da microscopia óptica, dando ao campo uma nova ferramenta crítica para resolver problemas desafiadores em muitos campos da ciência e da engenharia, incluindo a inspeção de pastilhas de semicondutores, detecção de nanopartículas, caracterização do material, biossensor, contagem de vírus, e monitoramento microfluídico.

A pergunta é freqüentemente feita, "Por que não podemos ver ou sentir objetos em nanoescala sob um microscópio óptico?" As respostas do livro são que seus sinais relativos são fracos, e sua separação é menor do que o limite de resolução de Abbe.

Contudo, a equipe de pesquisa do Illinois ECE, liderado por Illinois ECE Professor Lynford L. Goddard, junto com o pós-doutorado Jinlong Zhu, e Ph.D. estudante Aditi Udupa, está desafiando esses princípios fundamentais com uma estrutura óptica totalmente nova.

Trabalho deles, publicado em Nature Communications abre novas portas para o uso da microscopia óptica para desvendar problemas difíceis que afetam nossas vidas diárias.

"Nosso trabalho é significativo não apenas porque avança a compreensão científica da imagem óptica, mas também porque permite aos pesquisadores visualizar diretamente objetos não rotulados que têm separações profundas de sub comprimentos de onda. Podemos ver a estrutura em nanoescala sem realizar qualquer pós-processamento de imagem", disse Goddard.

Os avanços da equipe começaram em maio de 2018, quando Zhu e Goddard encontraram um resultado notável em uma de suas simulações. "No momento, estávamos conduzindo um estudo teórico sobre a inspeção de defeitos de wafer e precisávamos construir uma ferramenta de simulação para modelar como a luz se propaga através de um sistema de microscópio. Quando vimos o resultado da simulação para uma das configurações, ficamos bastante confusos com isso, "Goddard relembra." Trabalhamos dia e noite durante os três meses seguintes tentando entender a física por trás disso. Depois de desenvolver uma expressão analítica de forma fechada que explicava o que estava acontecendo, poderíamos conceber um experimento para testar nossas hipóteses. "

Contudo, levaria mais cinco meses de tentativa e erro para aprender como construir e alinhar o sistema óptico de forma que a configuração experimental replicasse as suposições do modelo. Enquanto isso, A Sra. Udupa fabricou amostras de teste adequadas no Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory e no Materials Research Laboratory com a assistência do Dr. Edmond Chow e do Dr. Tao Shang. Em janeiro de 2019, a equipe finalmente percebeu as condições experimentais necessárias e visualizou diretamente seu primeiro conjunto de objetos subcomprimentos de onda profundos.

"Usar um microscópio óptico padrão para visualizar objetos nanométricos é extremamente desafiador, não só por causa da barreira de difração, mas também o sinal fraco, "disse Zhu." Nosso experimento teve que utilizar dois conceitos físicos novos e interessantes, excitação anti-simétrica e amplificação sem ressonância, para aumentar a relação sinal-ruído dos objetos em nanoescala. "

A equipe demonstrou que a técnica pode detectar objetos em nanoescala de forma livre e fixa em um amplo campo de visão (726 μm × 582 μm) usando uma objetiva de baixa abertura numérica (0,4 NA). Zhu explica, "Tivemos muita sorte que alguns dos nanofios em nossa amostra de teste mostrada acima tinham imperfeições de fabricação. Isso nos permitiu demonstrar a visualização de defeitos abaixo de 20 nm em um chip semicondutor. No futuro, pode-se também aplicar nosso método para a detecção visualizável de objetos biológicos (por exemplo, vírus ou clusters de moléculas) escolhendo nanofios com geometria otimizada e índice de refração adequado e padronizando grupos funcionais em torno dos nanofios. Uma vez que os analitos alvo são capturados, eles agem como objetos que podem ser visualizados diretamente a partir das imagens ópticas. "