Новотный и Хехт, Основы нанооптики

ОТ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА И ПЕРЕВОДЧИКОВ

В своей знаменитой лекции в 1959 году Нобелевский лауреат Ричард Фейнман

рассказал об удивительных перспективах, которые открываются с созданием новых ~Iатериалов и устройств, определенным образом структурированных на атомном

и ~lOлекулярном уровне. Он также обратил внимание на то, что это потребует прин­ ципиально иной аппаратуры, способной работать с наноразмерными объектами. Уже

в названии лекции был сформулирован новый подход к созданию таких материалов­

«снизу вверх», когда крупные объекты конструируются, например, в режиме само­

сборки, из мелких (атомов или молекул), что отличает его от привычного нам подхода

«сверху вниз~. На основании этого подхода возникла нанотехнология, под которой понимают создание и использование новых материалов и устройств, параметрами структур которых можно управлять на нанометровом масштабе, т. е. в диапазоне

порядка размеров атомов и молекул.

Развитие естественно-научного знания, получившее свое начало в желании чело­

века «описать И понять увиденное», со временем начало все больше означать «опи­

сать и понять невидимое». И в этой сложной эволюции именно оптические приборы играли центральную роль, являясь теми инструментами, благодаря которым человек познавал невидимое, как мельчайшие объекты окружающего мира, инедостижимое,

как звезды.

Упомянутая Фейнманом новая аппаратура (сканирующие туннельные и атомНО­ силовые микроскопы) появилась лишь в 1980-х П. В те же годы получила значитель­

ное развитие вычислительная техника, играющая важную роль в математическом

МО,1елировании характеристик наноматериалов. При всем разнообразии и кажущемся

совершенстве технологии в современном мире предел процессу развития в этом

направлении далеко не достигнут, а потому не закончено еще и развитие оптической

микроскопии.

В настоящее время задачи оптоэлектронной промышленности в значительной степени состоят в создании новых компактных и эффективных устройств управления светом, которые неизменно находят себе применение и в физике, и в биологии,

и в медицине, и в других областях. Сейчас ведутся активные исследования оп­

тических свойств различных наноструктур и способов их изготовления, поскольку управление структурой такого вещества позволяет управлять его физическими, хи­

~Iическими и биологическими свойствами. Создание новых оптических элементов

включает в себя теоретическую разработку метода, математическое моделирование,

изготовление экспериментальных образцов и изучение их оптических свойств. При

ЭТО~I необходимо учитывать не только чисто физические особенности взаимодействия

света с наноструктурированным веществом, но и ряд технологических и материа­

.10ведческих проблем, обусловленных масштабами объектов исследования, степенью сродства материалов, стабильностью изготовленных структур и т. д.

Все эти вопросы нашли отражение в книге Л. Новотного и Б. Хехта «Основы

нанооптики», которую в настоящий момент можно по праву назвать наиболее полной

монографией в области взаимодействия света с наноструктурами. Значительное вни­

мание в книге уделено описанию математического аппарата, необходимого для глубо­

кого понимания физических принципов нанооптики. Нанооптика бурно развивается,

14От научного редактора перевода и nереводчuков

атехника эксперимента и математический аппарат непрерывно совершенствуются. поэтому неудивительно, что далеко не все проблемы оптики наноструктур в ней получили исчерпывающее описание. В частности, совсем немного места уделяется нелинейной оптике наноструктурированного вещества, что, разумеется, нисколько не снижает ценности предлагаемой книги.

Книга знакомит читателя с современными достижениями в физике взаимодей­

ствия света с наноструктурированным веществом. Она демонстрирует принципиаль­

ные отличия оптических явлений в «ближнем поле» от традиционной оптики «даль­

него поля» И показывает возможность передачи информации об объекте, записанной

в«ближнем поле», в дальнюю зону, где и находится наблюдатель. Монография

раскрывает непосредственную связь нанооптики с такими разделами науки как

квантовая физика, термодинамика, статистическая физика и материаловедение и тем самым расширяет представление читателя об оптике и углубляет понимание

различных явлений окружающего нас мира.

Мы хотели бы поблагодарить профессора О. А. Акципетрова и доцента А. П. Шку­

ринова за обсуждение сложных моментов при переводе отдельных выражений. Ра­

зумеется, мы оставляем за собой ответственность за возможные недочеты этого

перевода.

В. В. Самарцев, А. А. Коновко, О. А. Шутова

ПРЕДИСЛОВИЕ

в чем заключается причина нашего интереса к нанооптике? Эта причина нахо­

:rится в русле нашего фундаментального интереса к оптике. Оптические экспери­ \Iенты легли в основу многих областей современного научного знания. Для примера рассмотрим квантовую механику. Изучение абсолютно черного тела, особенности во:rородных линий спектра и фотоэффект стали ключевыми экспериментами, обусло­ вившими рождение самой квантовой идеи. На сегодняшний день оптическая спек­

троскопия представляет собой мощный инструментарий для определения атомной

и химической структуры различных материалов. Такое основополагающее значение оптики связано с тем простым обстоятельством, что энергия оптического кванта находится в энергетическом диапазоне электронных и колебательных переходов в

веществе. Этот факт лежит в основе возможности нашего зрительного восприятия, и

именно благодаря ему эксперименты со светом так близки нашей интуиции. Оптика и. особенно, оптическое формирование изображений помогают нам осознанно и

последовательно приводить во взаимное соответствие сложнейшие понятия. А расши­

рение наблюдения оптических взаимодействий на нанометровый диапазон открывает

новые перспективы в изучении свойств и явлений грядущей эпохи наномира.

Uелью нанооптики является изучение оптических явлений на нанометровой шка­

.1е. т е. вблизи дифракционного предела света. Развитию нанооптики как новой

области знаний способствует быстрое развитие нанонауки в целом, включая на­ нотехнологии, которое формирует потребность в соответствующем инструментарии, в идеях и способах описания явлений и управления ими на нанометровом масштабе.

Интересно, что нанооптика опередила в своем рождении нанотехнологии более чем на десятилетие. Оптический аналог сканирующего туннельного микроскопа

(СТМ) был создан в 1984 г., а полученное на нем оптическое разрешение существен­ но превышало дифракционный предел света. Эти ранние оптические эксперименты

породили область исследований, которая изначально была названа оптикой ближ­

него поля, т. к. было очень быстро осознано, что включение ближнего поля в задачу

оптического формирования изображений и связанную с этим спектроскопию дает

на:rежду получить произвольное пространственное разрешение и, следовательно,

обеспечивает доступ к оптическим экспериментам в нанометровом масштабе.

Первая конференция по оптике ближнего поля прошла в 1992 г. Около семидесяти

ее участников обсуждали теоретические аспекты и экспериментальные проблемы

оптики и микроскопии ближнего поля. Последующие годы характеризовались посто­

янным усовершенствованием техники эксперимента, введением новых понятий, новы­ \IИ приложениями, которые вскоре охватили огромную область от фундаментальной

физики и науки о материалах до биологии и медицины. Следуя логике развития науки, высокий интерес к оптике ближнего поля породил такие области исследова­ ний. как спектроскопия одиночных молекул и плазмоника, что, в свою очередь, вдохновило появление теоретических работ о природе оптических ближних полей.

В то же время, благодаря бурному развитию нанонауки в целом, исследователи стали создавать материалы с новыми оптическими свойствами. Результатами этих усилий

стали фотонные кристаллы, однофотонные источники и микроструктурированные

материалы. На сегодняшний день элементы нанооптики рассредоточены в разных дисциплинах. Различные обзорные статьи и книги рассматривают ее современное

состояние с точки зрения разных разделов науки, но отдельной книги, которая

знакомила бы читателя с основными понятиями И идеями нанооптики, до настоящего времени не было.

Этот учебник предназначен для обучения аспирантов и студентов старших курсов

основам нанооптики, встречающимся в разных разделах науки. Книга возникла из конспекта лекций, которые лежали в основе курса нанооптики, читавшегося в Инсти­

туте оптики Университетов Рочестера и Базеля. Нас очень радовало, что студенты самых разных факультетов находили в этом курсе нечто интересное для себя. Это

только подтверждает, что нанооптика чрезвычайно важна в разных областях знания.

Темы, интересовавшие студентов, были разными, и кому-то из них, в зависимости от

области их исследований, требовалась дополнительная помощь с математическими понятиями. Чтение курса сопровождалось лабораторными занятиями, проводивши­ мися в группах из двух-трех студентов. Каждая такая группа выбирала тему для

этих занятий в соответствии со сферой собственных научных интересов. Среди тем

были следующие: поверхностное вынужденное комбинационное рассеяние, фотонная сканирующая туннельная микроскопия, литография на наносферах, спектроскопия одиночной квантовой точки, оптический пинцет и другие. К концу курса студенты делали доклады по своим темам и представляли письменную работу. Большинство задач, приведенных в конце каждой главы, решались студентами в качестве домаш­ него задания или на экзамене. Мы хотели бы поблагодарить наших студентов за весомый вклад в работу и вдохновение, которое мы от них получили. Их интерес и искренняя вовлеченность в предмет особенно способствовали написанию этого учебника.

Нанооптика - активно развивающаяся область исследований. При каждом HOBO~I

чтении этого курса мы добавляли новые темы. Кроме того, нанооптика - это раздел

науки, перекрывающийся с другими, такими как физическая оптика и квантовая

оптика, так что часто бывает трудно провести границу. Это издание представляет

собой попытку осознать границы такой дисциплины, как нанооптика. Мы будем благодарны читателям за исправления и за предложение новых тем.

Благодарности Мы хотели бы выразить благодарность нашим коллегам и студентам. Мы бла­

годарны Дитеру Полю, вдохновившему нас на изучение нанооптики. Эта книга - результат его значимой поддержки. Мы благодарим за помощь Скотта Карни.

Жан-Жака Греффа, Стефана Хилла, Картсена Хенкеля, Марка Стокмана. Герта

Цумофена и Йорга Цурита-Санчес. Мы также весьма благодарны за обсуждения

различных тем этой книги Мигелю Алонсо, Джо Эберли, Роберту Ноксу и Эмилии Вульф из Университета Рочестера.

Нарастающая тенденция развития нанонауки и нанотехнологий неизбежно тре­ бует изучения оптических явлений на нанометровой шкале. Так как дифракционный

предел не позволяет нам фокусировать свет на масштабы меньшие, чем примерно по­

ловина длины волны (200 нм), традиционно считалось, что невозможно при помощи

оптического взаимодействия селективно выявлять свойства объекта на нанометровой

шкале. Однако в последние годы были разработаны некоторые новые подходы. позволяющие «подавиты дифракционный предел (конфокальная микроскопия) ИJIИ

даже превзойти его (микроскопия ближнего поля). Основной задачей нанооптики

является расширение оптических технологий на масштабы длин, находящихся за

дифракционным пределом. Наиболее очевидными возможными технологическими

приложениями, возникающими при преодолении дифракционного предела, являются

микроскопия сверхразрешения и сверхплотное хранение информации. Но при этом

область нанооптики все же никак не ограничивается технологическими приложени­

ями и созданием приборов. Нанооптика открывает путь к фундаментальным иссле­

дованиям структур нанометрового масштаба.

в природе существуют различные нанометровые структуры, обнаруживающие

способность производить уникальные оптические эффекты. Замечательным приме­

ром могут служить фотосинтетические мембраны, которые благодаря находящимся в них светособирающим протеинам поглощают солнечный свет, а затем передают

энергию возбуждения к соседним протеинам. Эта энергия направляется к так на­

зываемому центру реакции, где за счет этого инициируется передача заряда через

клеточную мембрану. Другим примером могут служить сложнейшие дифракционные

структуры, определяющие яркую окраску насекомых (например, бабочек) и живот­

ных (например, петухов). Наноструктуры присутствуют также в просветляющем

что сходно с выражением для рэлеевского дифракционного предела. Отметим, что

пространственное удержание, которое здесь может быть достигнуто, определяется

исключительно разбросом волновых векторов в данном направлении. Для того чтобы увеличить этот разброс, прибегнем к математической хитрости: если мы выберем два

произвольных направления в пространстве, например, х и .::, мы можем увеличить од­

ну компоненту волнового вектора до значений, превышающих полную длину волно­

вого вектора, делая при этом величину перпендикулярной компоненты чисто мнимой

В этом случае мы по-п ежнему удовлетворяем условию, что полная длина волнового

вектора k = Ч + k~ + k~ равна 271'/Л. Если мы хотим увеличить волновой вектор в

направлении х, допустимый диапазон значений волновых векторов в этой проекции также возрастает и удержание света уже не ограничивается выражением (1.3)

Тем не менее за возможность увеличить область удержания необходимо платить.

и следствием является удержание в направлении z, которое следует из чистой

мнимости волнового вектора в этом направлении, требующейся, чтобы скомпенси­ ровать большую величину волнового вектора в направлении :1'. Вводя чисто ~IНИ­ мую компоненту волнового вектора в выражение для плоской волны, мы ПОЛУЧИ~I exp(ikzZ) = ехр(- Ikz Iz). в одном направлении мы получим экспоненциально зату­

хающее поле, эванесцентную волну, а в другом - экспоненциально возрастающую

Так как последняя не имеет физического смысла, то мы можем ее спокойно отбросить

при получении решения и утверждать, что в свободном пространстве соотношение

(1.3) всегда верно. Однако это утверждение справедливо лишь для бесконечного

свободного пространства! Если мы разделим наше бесконечное свободное простран­ ство хотя бы на два полупространства с разными коэффициентами отражения. то

экспоненциальное затухающее поле в одном из полупространств может существовать

без необходимости ответной экспоненциально возрастающей компоненты в другоы

полупространстве. В этом полупространстве может существовать другое решение.

удовлетворяющее граничным условиям для полей на границе сред.

Эти простые умозаключения показывают, что в присутствии пространственной

неоднородности рэлеевский предел для локализации света не является строго вер­

ным, возникает возможность, по крайней мере теоретическая, бесконечного удер­

жания. Такого рода интуитивные соображения лежат в основе нанооптики. ОДНИ~I

из ключевых вопросов в нанооптике является вопрос о том, как именно должны

быть сформированы материальные структуры, которые будут реализовывать эту теоретическую идею удержания поля. Еще одна ключевая проблема - вопрос о TO~I.

каковы физические следствия присутствия экспоненциально затухающего и сильно локализованного поля. Некоторые детали этой проблемы мы обсудим в следующих

главах.

1.2. Исторический экскурс

Для того чтобы обозначить перспективу и контекст настоящего исследования

по нанооптике, мы сочли целесообразным начать с краткого введения в историю

развития оптики в целом и нанооптики в частности.

Нанооптика строится на достижениях классической оптики, восходящих еще к античности, когда были созданы собирающие линзы, способные создать условия поджигания, известны были и законы отражения, а греческие философы (Евклид.

Эмпедокл) размышляли о природе света, они были первыми, кто преДПРИНЯ.l

систематическое изучение оптики. В тринадцатом веке было впервые использовано

увеличивающее стекло. Существуют документы, свидетельствующие, что несколь­

кими веками ранее в Китае уже существовали очки. Однако впервые оптический

IIрИООр для научных целеи оыл создан IOJlbКO в начаJlе семнадца I01 О века, -кorдa у

человечества стала пробуждаться осознанная любознательность. Принято считать,

что первый телескоп был построен Галилео Галилеем в 1609 Г., т. к. об этом приборе известно достоверно. И первый прототип оптического микроскопа (1610 г.) принято

связывать с именем Галилея [8J. Однако известно, что Галилей знал о телескопе,

построенном в Голландии (возможно, Захарием Янссеном), и что свой прибор он

построил в соответствии с уже известной схемой. Такая же неясность существует в

вопросе о создании первого микроскопа. В шестнадцатом веке ремесленники уже ис­

ПО"1ьзовали стек"~янные сферы, наполненные водой, для увеличения мелких деталей.

Как и в случае с телескопом, разработка микроскопа растягивается на значительный период и не может быть приписана какому-то одному создателю. Первым, кто суще­ ственно продвинул развитие этой идеи, был уже упомянутый Антони ван Левенгук. ПРИ~lечательно, что разрешение созданного им микроскопа, построенного в 1671 г., не ыогли превысить в течение более чем векового периода. В то время выполнен­ ное И~I наблюдение красных клеток крови и бактерий было поистине революцион­ ньш. В восемнадцатом и девятнадцатом веках развитие теории света (поляризации, дифракции, дисперсии) помогло существенно улучшить оптические технологии и приборы. Вскоре было осознано, что оптическое разрешение невозможно улучшать

бесконечно, а его предел определяется дифракционным пределом. Теория разрешения

бы.lа сформулирована Аббе в 1873 г. [9] и Рэлеем в 1879 г. [1 OJ. Интересно отме­

тить, что, как мы видели выше, этот предел связан с принципом неопределенности

Гейзенберга. Различные методики, такие как конфокальная микроскопия [11J, на

протяжении многих лет развивались с единственной целью - превзойти разрешение,

соответствующее пределу, указанному Аббе. На сегодняшний день конфокальная

ф.lуоресцентная микроскопия является ключевым методом в биомедицинских ис­

С.lедованиях [12J. Специально синтезированные сильно флуоресцентные молекулы

прикрепляются к биологическим объектам, таким как липиды, мышечные волокна

и различные клеточные организмы. Такое специальное химическое маркирование и

соответствующее дискриминирование по различным цветам, основанное на анализе

спектров флуоресценции, позволяют ученым визуализировать содержимое клетки и

исследовать биохимические реакции в живой материи. Создание источников им­ ПУ.1ЬСНОГО лазерного излучения приблизило эпоху нелинейной оптики и дало воз­

~lOжность создания многофотонной микроскопии, постепенно вытесняющей линей­

ную конфокальную флуоресцентную микроскопию [13J. Между тем многофотонное

возбуждение - не единственный нелинейно-оптический процесс, используемый в

оптической микроскопии. Другими примерами являются микроскопия, основанная на

процессах генерации второй и третьей гармоник и когерентное антистоксово рассея­

ние света (КАРС) [14J, представляющие чрезвычайную важность для визуализации

процессов, требующих высокого пространственного разрешения. Было показано, что,

вПРl1нципе, помимо нелинейных процессов, для достижения произвольного про­

странственного разрешения, позволяющего точно указать, какие именно молекулы

визуализируются, могут быть использованы эффекты насыщения [15J.

Другим подходом к получению высокого пространственного разрешения при оптической визуализации является метод микроскопии ближнего поля. Главное пре-

11~lущество его заключается в том, что эта техника не основывается на первичной ин­

фОР~lации. Однако она ограничена возможностью визуализировать свойства объекта

.1ИШЬ вблизи его поверхности, давая дополнительную информацию о топологии по­ верхности, восполняющую информацию, полученную такими методами исследования,

как атомно-силовая микроскопия. Существенный аспект в микроскопии ближнего

ПО.1Я состоит в связи, возникающей между источником (или детектором) и визуа­

.1изируемым объектом. Эта связь отсутствует в стандартной световой микроскопии,

в которой источник света (например, лазер) не испытывает влияния со стороны

объекта. Микроскопия ближнего поля была впервые предложена в качестве идеи

в 1928 г. Сингом. В своей работе, оказавшейся пророческой, он предложил аппарат.

очень похожий на современные приборы в сканирующей оптической микроскопии

ближнего поля [16]. Мельчайшее отверстие (или апертура 1)) в непрозрачной пере­

городке, освещаемой с одной стороны, располагается в непосредственной близости от поверхности образца, так что световое пятно не испытывает влияния дифракции. Затем прошедшее излучение собирается при помощи микроскопа, а его интенсив­

ность измеряется при помощи фотоэлектрического элемента. Для того чтобы создать изображение поверхности, отверстие перемещается с малым шагом вдоль нее. Раз­

решение такого изображения ограничено не длиной волны излучения, посылаемого на поверхность, а размером отверстия, как и было справедливо замечено Сингом.

Известно, что Синг обсуждал свои идеи с Эйнштейном, и именно тот поддержал

его в вопросе публикации этих идей. Известно также, что впоследствии Синг все-таки потерял уверенность в правильности этих идей и предложил другие, как мы теперь знаем, неверные. Вследствие экспериментальных ограничений, неизбежных

в то время, идеи Синга не были реализованы и вскоре были забыты. Позднее.

в 1956 г., о'Киф, независимо от неосуществленных идей Синга, предложил похожий

прибор [17]. Первая экспериментальная реализация в микроволновом диапазоне была

осуществлена в 1972 г. Эшем и Николсом, которые также не знали о работе Синга

[18]. Используя отверстие величиной 1,5 мм и длину волны излучения 10 см, Эш и Николс достигли визуализации в субволновом диапазоне с разрешением >'/60.

Создание в начале 1980-х гг. сканирующей зондовой микроскопии [19], позво­

лившей с высокой точностью управлять расстоянием между образцом и зондом, дало

почву и для реализации идей Синга в оптическом диапазоне. В 1984 г. Массей

предложил использовать для точного позиционирования пьезоэлектрический элемент

с мельчайшей апертурой, облучаемой светом [20]. Вскоре после этого Пол, Дэнк

И Ланц из Цюрихской исследовательской лаборатории 18М (Швейцария, Рюшли­

кон) 2) преодолели последнюю экспериментальную сложность - создали субволно­

вую апертуру: покрытая металлом узконаправленная кварцевая головка «стучится»

В поверхность до тех пор, пока через самый ее кончик не начинает просачиваться

свет, который может быть измерен. В 1984 г. группа 18М представила первое

субволновое изображение на оптических частотах [21], и почти одновременно неза­ висимое исследование было проведено Льюисом с соавтроами [22]. Впоследствии

эта техника систематически развивалась и совершенствовалась, находя разные при­

менения, в основном группой Бетцига с соавторами, которые показали основанную на этом принципе возможность магнитного хранения информации и детектирования

отдельных флуоресцентных молекул [23-25]. В последующие годы были предло­

жены разнообразные схожие по типу методики, такие как фотонная сканирующая туннельная микроскопия, микроскопия ближнего поля на отражении, микроскопы,

использующие в качестве источников излучения люминесцентные центры, микроско­

пы, основанные на локальном плазмонном взаимодействии, микроскопы, основанные на локальном рассеянии света, а также работающие благодаря эффекту усиления

поля вблизи заостренных металлических головок. Во всех этих методиках создается

локализованный поток фотонов между зондом и образцом. Однако локализация пото-

1) Мы будем использовать в зависимости от контекста оба термина. русский - отверстие.

и его заимствованный аналог - апертура, но в предметном указателе поместим лишь термин «апертура». - Примеч. пер.

2) 18М Riischlikon Research Laboratory.