Le superlentille virtuelle est devenue une réalité

Un peu de distance peut faire toute la différence. C’est ce que pensent deux chercheurs du Nano-Institut de l’Université de Sydney récemment conclu en leur étude sur une nouvelle méthode de « superlentille », une façon de voir des choses qui sont plus petites que la longueur d’onde de la lumière, et ce, sans véritable lentille.

Les chercheurs ont trouvé une nouvelle façon de traverser le limite de diffraction, ce qui vous empêche de discerner toute caractéristique plus petite que la longueur d’onde de la lumière qui s’y reflète. Les caractéristiques plus petites que cela ne sont codées que dans ce que l’on appelle des ondes évanescentes, dont les amplitudes meurent de façon exponentielle et se perdent presque complètement en quelques longueurs d’onde.

Auparavant, les ondes évanescentes étaient détectées en plaçant une sonde photoconductrice juste à côté de l’objet photographié, ce qui pouvait fausser les résultats. On avait supposé que lorsque la sonde était trop éloignée de l’objet – même un dixième de la longueur d’onde plus en arrière – les informations relatives aux sous-longueurs d’onde étaient complètement perdues. « Nous avons réalisé que ce n’était pas perdu. C’est juste vraiment, vraiment sombre”, dit l’auteur Boris Kuhlmey.

Pour retrouver ces informations haute résolution, les chercheurs doivent amplifier le signal faible avec une superlentille, constituée de métamatériaux spécialement conçus. Mais au lieu d’une lentille physique, Kuhlmey et co-auteur Alessandro Tunis utilisé des calculs numériques pour obtenir le même résultat. Ils ont mesuré de minuscules fluctuations du champ électromagnétique provoquées par les ondes évanescentes et les ont virtuellement amplifiées en appliquant des équations décrivant la façon dont les ondes disparaissent. Ensuite, ils ont pu reconstruire le champ d’origine pendant le post-traitement, atteignant une résolution correspondant au quart de la taille de la limite de diffraction.

Ce qui compte, dit Kuhlmey, n’est pas la technologie spécifique utilisée, mais la capacité de capter des informations haute résolution plus loin de l’échantillon qu’on ne l’aurait cru possible, même sans super-objectif.

Un chercheur montre comment une antenne photoconductrice scanne l’échantillon, qui mesure moins de 4 millimètres de diamètre et présente des caractéristiques aussi petites que 0,15 millimètres. L’Université de Sydney

C’est important car ils travaillaient avec des longueurs d’onde d’environ un millimètre, ce qui est dans la fourchette térahertz gamme de fréquences. Et bien que la superlentille physique ait été démontrée dans d’autres fréquences, elle n’a pas encore été réalisée.

La région térahertz du spectre est un domaine de recherche relativement nouveau, en partie parce que les fréquences sont trop élevées pour être utilisées avec l’électronique et trop basses pour la photonique, explique Kuhlmey. Mais ces fréquences pourraient être importantes dans la recherche biologique, en raison de la forte capacité d’absorption des fréquences térahertz par l’eau, et pour examiner, entre autres, les revêtements céramiques utilisés sur les puces semi-conductrices. “Dans chaque partie du spectre, on découvre une nouvelle physique”, explique Kuhlmey.

Tuniz et Kuhlmey notent que leur méthode n’est pas la première à dépasser la limite de diffraction et qu’elle ne représente pas non plus la résolution la plus élevée atteinte. D’autres techniques, telles que ceux qui utilisent une sonde très proche, offrent une meilleure résolution. Mais cette résolution a un coût. Ces méthodes sont lentes et ne peuvent être utilisées que pour analyser de petites zones. «Nous élargissons la bibliothèque de techniques haute résolution disponibles que quelqu’un pourrait envisager», explique Tuniz.

Pour obtenir une imagerie térahertz à haute résolution sans superlentille, Tuniz et Kuhlmey devraient placer une sonde coûteuse à moins d’un millimètre de l’échantillon observé. Tuniz avait toujours peur de frotter l’instrument contre cet échantillon et d’endommager l’un ou l’autre objet. Pour aggraver les choses, la sonde peut déformer le champ même qu’elle est là pour mesurer. Alternativement, l’utilisation d’une lentille physique pour amplifier les ondes évanescentes bloque une partie de la lumière. En effectuant virtuellement des superlentilles, les chercheurs éliminent cette perte. «C’est une niche, dans un sens, mais les laboratoires du monde entier disposent d’équipements comme celui-ci pour comprendre des choses vraiment compliquées», explique Tuniz.

“Il y aura de très belles applications”, ajoute Kuhlmey, tout en reconnaissant qu’il est peu probable que cela révolutionne la microscopie dans son ensemble.

En fait, le post-traitement au cœur de l’approche australienne est similaire aux techniques couramment utilisées dans d’autres domaines de la microscopie, selon Durdu Guney qui étudie les super-objectifs à Université technologique du Michigan. Bien que l’application à l’imagerie térahertz soit nouvelle, dit Guney, « sur le plan conceptuel, je pense que l’idée n’est pas très nouvelle ». Ses recherches ont utilisé des techniques similaires dans des fréquences optiques plus élevées, pour lesquelles les superlentille sont plus avancées. Guney se demande également si cette approche sera efficace pour des objets plus complexes, dont certaines caractéristiques peuvent être submergées par le bruit.

Après la publication de l’étude, Tuniz et Kuhlmey ont découvert qu’elle avait été publiée sur les réseaux sociaux, où les commentateurs faisaient des allusions en plaisantant à un trope des émissions télévisées procédurales de la police dans lesquelles les personnages « améliorent » des images floues de vidéosurveillance pour révéler un détail clé. Utilisant de vrais concepts de physique, Tuniz reconnaît que le résultat final est assez similaire.

“Cela transforme l’absurdité en réalité.”