Физики разработали оптический пылесос, который втягивает в себя наночастицы. Это устройство состоит из диэлектрического куба с прорезью, облучаемой волной, длина которой полностью совпадает со стороной куба. Работоспособность предложенного прибора ученые проверили с помощью численных расчетов. Статья опубликована в Scientific Reports.Классическая оптика утверждает, что микроскоп может разглядеть только достаточно большие объекты, размер которых превышает половину длины волны используемого излучения. В частности, с помощью видимого света можно разглядеть детали не меньше нескольких сот нанометров, с помощью рентгена разрешение можно понизить до нескольких нанометров, а с помощью электронов (которые тоже ведут себя как волны) — до сотых долей нанометра. Это ограничение возникает из-за дифракции волн, которая не позволяет сфокусировать их в пятнышко с диаметром меньше половины длины волны. Поэтому физики называет его дифракционным пределом.

Тем не менее, около десяти лет назад физики научились обходить ограничения, накладываемые волновой природой света, с помощью хитро спроектированных наноразмерных приборов. В настоящее время дифракционный предел можно нарушить с помощью трехмерных дифракционных линз, линз на основе фотонных кристаллови плазмонных линз с рядами нанометровых прорезей. В частности, один из простейших приборов, нарушающих дифракционный предел — это микрочастица с небольшим отверстием, вырезанным на ее теневой стороне. Численные расчеты показывают, что с помощью такой микрочастицы можно сфокусировать свет в пятнышко диаметром около 1/40 от длины волны света. При этом форма частицы роли практически не играет.

Группа физиков под руководством Игоря Минина обнаружила еще одно необычное свойство таких микрочастиц — оказалось, что сложная конфигурация электромагнитных полей, которая образуется при рассеянии света на частице, втягивает в отверстие более мелкие пылинки и превращает микрочастицу в оптический пылесос. В качестве примера такого пылесоса исследователи теоретически рассмотрели равносторонний куб, изготовленный из материала с коэффициентом преломления n = 2. Между двумя противоположными гранями куба ученые проделали цилиндрическое отверстие с диаметром около 1/20 от стороны куба. Вдоль этого отверстия исследователи направили линейно поляризованную электромагнитную волну, длина которой совпадала со стороной куба.

Схематическое изображение микрочастицы, с которой работали физики. Igor Minin et al. / Scientific Reports, 2019