元光学显示阿秒范围内的物理过程

诸平

Fig. 1 From left to right: Martin Schultze, Maryna Meretska (Harvard), Marcus Ossiander und Hana Hampel. Image Source: Lunghammer - TU Graz

Fig. 2 Marcus Ossiander. Image Source: Lunghammer - TU Graz

Fig. 3 Martin Schultze. Image Source: Lunghammer - TU Graz

Fig. 4 Hana Hampel. Image Source: Lunghammer - TU Graz

Fig. 5 Maryna Meretska (Harvard). Image Source: Lunghammer - TU Graz

Fig. 6 Thomas Jauk. Image Source: Lunghammer - TU Graz

据奥地利格拉茨科技大学（Graz University of Technology简称TU Graz, Graz, Austria）2023年4月6日提供的消息，美国哈佛大学（Harvard University, Cambridge, MA, USA）的一种新型超光学已在格拉茨科技大学（TU Graz）的实验中证明了其功能。有了它，就可以观察到最小的结构，例如纳米粒子或晶体管（Meta-optics shows physical processes in the attosecond range）。

由哈佛大学开发并在格拉茨科技大学 (TU Graz) 成功测试的革命性新型超光学显微镜具有极高的空间和时间分辨率，已在TU Graz实验物理研究所（Institute of Experimental Physics at TU Graz）的实验室测试中证明了其功能能力。使用这种镜头的显微镜有望带来全新的研发方法，尤其是在半导体和太阳能电池技术方面。来自TU Graz和哈佛大学的研究团队，于2023年4月6日已经在《科学》（Science）杂志网站报道了这种新元光学（meta-optics）的构建和成功的实验室实验。详见：Marcus Ossiander, Maryna Leonidivna Meretska, Hana Kristin Hampel, Soon Wei Daniel Lim, Nico Knefz, Thomas Jauk, Federico Capasso, Martin Schultze. Extreme ultraviolet metalens by vacuum guiding. Science, 6 Apr 2023, 380(6640): 59-63. DOI: 10.1126/science.adg6881. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6881

此显微镜的透镜使人们第一次有可能使用极紫外线辐射（extreme ultraviolet radiation）。其极短的波长使其能够在阿秒（attosecond简称as）范围内跟踪超快的物理过程。例如，来自现代晶体管内部的实时图像，或者分子和原子与光的相互作用。马库斯·奥西恩德（Marcus Ossiander，Fig. 2）在哈佛大学费德里科·卡帕索（Federico Capasso）团队的研究工作中提出了这种新型透镜的想法，自2023年1月以来，欧洲研究委员会启动研究基金（ERC Starting Grant）和FWF START奖得主（FWF START Award winner）一直在格拉茨科技大学实验物理研究所进行研究。

波士顿和格拉茨的联合成功（Joint success for Boston and Graz）

阿秒物理学（Attosecond physics）使用极紫外光。由于这种光振荡很快，并且光学开发构建套件中的所有材料都对这种光不透明，因此直到现在还没有可用的成像系统。马库斯·奥西恩德说：“我问自己，经典的光学原理是否无法逆转。你能否将小区域材料的缺失作为光学元件的基础？”
哈佛大学基于这一想法开发的镜头，并在格拉茨科技大学成功测试，实现了这一设计原则。在极薄的硅箔上精确计算的小孔排列，可以引导并聚焦入射的阿秒光。研究小组的一个显著观察结果是，这些真空隧道传输的光能比由于洞覆盖的表面可能传输的光能要多。这意味着这种创新的元光学装置可以将紫外线吸收到焦点上。

直径几纳米的洞（Holes of a few nanometres in diameter）

为了实现这一突破，需要极小和精确控制的结构。它们的产量已接近目前技术上可行的极限。这项技术是由哈佛大学的费德里科·卡帕索团队在经过大约两年的实验阶段后实现的，该团队在该领域处于世界领先地位。功能性的证明是与格拉茨科技大学合作实现的，在那里，实验物理研究所的马丁·舒尔茨（Martin Schultze, Fig. 3）小组致力于超短紫外线闪光的产生和应用。“这是波士顿与格拉茨合作的巨大成功。现在我们想用它来研究微电子学、纳米颗粒和类似的东西，”马库斯·奥西恩德解释说。

元光学器件由大约200 nm的薄膜组成，薄膜上刻有微小的孔结构。整个镜头由数以亿计的孔组成；膜上每微米大约有10个这样的结构。单个孔的直径在20~80 nm之间。作为比较：人的头发大约有60~100 μm厚，小病毒的直径为15 nm。孔的直径从膜的中心向外变化和减小。根据孔的大小，那里的入射光辐射会延迟，从而坍缩成一个微小的焦点。

激光遇到气体云(Laser meets gas cloud)

为了测量新型透镜，格拉茨科技大学实验物理研究所（Institute of Experimental Physics at TU Graz）的马丁·舒尔茨和哈娜·汉佩尔（Hana Hampel, Fig. 4）在产生必要的极紫外辐射方面拥有独特的专业知识。马丁·舒尔茨说：“可靠地产生具有高能量的短光脉冲需要精确控制光控原子过程和非常精确的光学设置。对于这个项目，我们开发了一种光源，它在产生这些元光学设计的波长的辐射方面特别有效。”在格拉茨科技大学的实验装置中，激光被聚焦到惰性气体射流中，可以产生极紫外辐射并集中在非常短的脉冲中。通过这种针对阿秒物理学优化的光源，证明了元光学（meta-optics）的有效性。

下一步：具有元光学的显微镜(Next step: a microscope with meta-optics)

马库斯·奥西恩德因这项高级研究工作和光吸收纳米粒子的研究获得了ERC启动基金。继 比吉塔·舒尔茨-伯恩哈特（Birgitta Schultze-Bernhardt）于2020年获奖后，这是短时间内在格拉茨科技大学实验物理研究所获得的第二个顶级研究奖项。阿秒显微镜这一新研究领域的可能应用是多方面的。尤其是半导体和太阳能电池技术，将受益于能够首次跟踪电荷载流子，在空间和时间上的超快运动的可能性。在现代晶体管和光电子电路中，相关过程发生在几纳米的空间扩展和几阿秒的时间框架内。新的元光学将使人们有可能观察这些信息技术的核心组件的工作，并进一步优化它们。

本研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation: ECCS-2025158）、美国空军科学研究办公室（Air Force Office of Scientific Research: FA9550-21-1-0312）、德国洪堡基金会（Alexander von Humboldt-Stiftung）、奥地利科学基金（Austrian Science Fund: Y1525）以及欧洲联盟:101076933 EUVORAM（European Union: 101076933 EUVORAM）的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Pushing metalenses to extremes

The fields of ultrafast spectroscopy and semiconductor photolithography rely on very short wavelengths, typically in the extreme ultraviolet (EUV) realm. However, most optical materials strongly absorb light in this wavelength regime, resulting in a lack of generally available transmissive components. Ossiander et al. designed and fabricated a metalens in which a carefully engineered array of holes in a thin silicon membrane focuses ultrafast EUV pulses close to the diffraction limit by “vacuum guiding.” The results open up transmissive optics to the EUV regime. —ISO

Abstract

Extreme ultraviolet (EUV) radiation is a key technology for material science, attosecond metrology, and lithography. Here, we experimentally demonstrate metasurfaces as a superior way to focus EUV light. These devices exploit the fact that holes in a silicon membrane have a considerably larger refractive index than the surrounding material and efficiently vacuum-guide light with a wavelength of ~50 nanometers. This allows the transmission phase at the nanoscale to be controlled by the hole diameter. We fabricated an EUV metalens with a 10-millimeter focal length that supports numerical apertures of up to 0.05 and used it to focus ultrashort EUV light bursts generated by high-harmonic generation down to a 0.7-micrometer waist. Our approach introduces the vast light-shaping possibilities provided by dielectric metasurfaces to a spectral regime that lacks materials for transmissive optics.