スーパーレンズ

スーパーレンズは、メタマテリアルを使用して回折限界を超えるレンズです。回折限界は、従来のレンズや顕微鏡の特徴であり、照明波長と対物レンズの開口数（NA）に応じて解像度の細かさが制限されます。何らかの方法で回折限界を超えるレンズ設計が数多く提案されていますが、それぞれに制約と障害があります。^[1]

1873 年、エルンスト アッベは、従来のレンズでは、特定の画像の一部の細かい部分を捉えることができない、と報告しました。スーパーレンズは、そのような細部を捉えることを目的としています。従来のレンズのこの制限は、生物科学の進歩を妨げてきました。これは、ウイルスやDNA 分子を、従来の最高倍率の顕微鏡で解像できないためです。この制限は、自然環境における生細胞の微小管に沿って移動する細胞タンパク質の微細なプロセスにまで及びます。さらに、コンピューター チップと相互に関連するマイクロエレクトロニクスは、ますます小さな規模で製造され続けています。これには特殊な光学機器が必要ですが、従来のレンズを使用するため、これも制限があります。したがって、スーパーレンズを支配する原理は、DNA 分子、細胞タンパク質プロセスを画像化し、さらに小さなコンピューター チップとマイクロエレクトロニクスの製造を支援する可能性を示しています。^{[2] [3] [4] [5]}

従来のレンズは伝播する光波のみを捉えます。これらは光源や物体からレンズ、または人間の目まで伝わる波です。これは遠方場として研究することもできます。対照的に、スーパーレンズは伝播する光波と物体の表面上に留まる波を捉えます。これは遠方場と近方場の両方として研究することもできます。 [ ^{6] [7]}

20世紀初頭、デニス・ガボールは「スーパーレンズ」という用語を、まったく異なるもの、つまり複合レンズレットアレイシステムを表すために使用しました。^[8]

物体の画像は、その物体の特徴を有形または目に見える形で表現したものと定義できます。画像形成には、電磁放射の場との相互作用が必要です。さらに、特徴の詳細レベル、つまり画像の解像度は、放射の波の長さに制限されます。たとえば、光学顕微鏡では、画像の生成と解像度は可視光の波の長さに依存します。ただし、スーパーレンズを使用すると、この制限がなくなり、新しい種類の画像が生成されます。^[9]

電子ビームリソグラフィーはこの解像度の限界を克服することができます。一方、光学顕微鏡では200ナノメートルを超える値に制限されるため、克服できません。^[4]しかし、光学顕微鏡と組み合わせた新しい技術により、特徴の解像度を向上させることが可能になり始めています（以下のセクションを参照）。

解像度の障壁によって制約されることの 1 つの定義は、光の波長の半分でカットオフされる解像度です。可視スペクトルの範囲は 390 ナノメートルから 750 ナノメートルに及びます。その中間の緑色の光は約 500 ナノメートルです。顕微鏡検査では、レンズ口径、物体からレンズまでの距離、観察対象物の屈折率などのパラメータが考慮されます。この組み合わせによって、解像度のカットオフ、つまり顕微鏡検査の光学限界が定義され、200 ナノメートルまで表されます。したがって、文字通り「通常の」光波を使用して物体の画像を構築する従来のレンズは、エバネッセント波に含まれる物体の非常に微細で極小の詳細を生成する情報を破棄します。これらの寸法は 200 ナノメートル未満です。このため、顕微鏡などの従来の光学システムでは、個々のウイルスやDNA 分子など、非常に小さなナノメートルサイズの構造やナノメートルサイズの生体内生物を正確に画像化することができませんでした。^{[4] [5]}

標準的な光学顕微鏡 (明視野顕微鏡)の限界は、次の 3 つの領域にあります。

• この技術では、暗い物体や屈折の強い物体のみを効果的に画像化できます。
• 回折により、物体または細胞の解像度は約 200ナノメートルに制限されます。
• 焦点面の外側の点からの焦点外の光は画像の鮮明さを低下させます。

特に生きた生物細胞は、細胞の内部構造がほとんど無色透明であるため、研究を成功させるにはコントラストが不十分であるのが一般的です。コントラストを高める最も一般的な方法は、さまざまな構造を選択染料で染色することですが、多くの場合、これにはサンプルを殺して固定する作業が含まれます。染色によって、アーティファクト、つまり標本の処理によって生じた見かけ上の構造の詳細が導入される可能性があり、したがって標本の正当な特徴ではありません。

従来のガラスレンズは、社会や科学の分野で広く普及しています。さまざまな波長の光と相互作用するため、光学の基本的なツールの 1 つです。同時に、光の波長は、通常の画像を描くために使用される鉛筆の太さに似ています。制限はさまざまな方法で侵入します。たとえば、デジタルビデオシステムで使用されるレーザーは、レーザーの波長よりも小さい詳細をDVDから読み取ることができません。これにより、DVD の記憶容量が制限されます。^[10]

したがって、物体が光を放射または反射する場合、この現象に関連する 2 種類の電磁放射があります。これらは、近接場放射と遠方場放射です。説明からわかるように、遠方場は物体の外側に逃げます。その後、従来のガラス レンズで簡単に捕捉および操作できます。ただし、有用な (ナノメートル サイズの) 解像度の詳細は、近接場に隠れているため、観察されません。それらは局在したままで、発光物体に非常に近い場所に留まり、移動できず、従来のレンズで捕捉できません。高解像度のために近接場放射を制御することは、自然界では簡単には得られない新しいクラスの材料で実現できます。これらは、原子および分子単位から特性を引き出す結晶などのよく知られた固体とは異なります。メタマテリアルと呼ばれる新しい材料クラスは、人工的に大きくした構造から特性を引き出します。これにより、新しい特性と新しい応答が生まれ、光の波長によって課せられる制限を超える画像の詳細が可能になります。 ^[10]

このため、生きた生物細胞の相互作用を自然環境でリアルタイムに観察したいという要望が生まれ、サブ波長イメージングの必要性が高まっています。サブ波長イメージングは​​、可視光の波長以下で物体または生物の詳細を見ることができる光学顕微鏡と定義できます (上記のセクションの説明を参照)。言い換えれば、200 ナノメートル以下をリアルタイムで観察できるということです。光学顕微鏡は、日常の光が伝送媒体であるため、非侵襲的な手法および技術です。光学顕微鏡の光学限界 (サブ波長) 未満のイメージングは​​、原理的には細胞レベル、ナノメートル レベルで設計できます。

例えば、2007年には、従来の光学レンズと組み合わせたメタマテリアルベースのレンズが可視光を操作して、通常の光学顕微鏡では観察できないほど小さい（ナノスケールの）パターンを観察できる技術が実証されました。これは、生きた細胞全体を観察するだけでなく、タンパク質や脂肪が細胞に出入りする様子などの細胞プロセスの観察にも応用できる可能性があります。技術分野では、より小型のコンピューターチップの製造に不可欠なフォトリソグラフィーとナノリソグラフィーの最初のステップを改善するために使用できます。^{[4] [11]}

サブ波長での焦点合わせは、使用中の光子の波長よりも小さい観察対象物の特徴を視覚化できるユニークな画像化技術となっている。光子は光の最小単位である。以前は物理的に不可能であると考えられていたが、サブ波長画像化はメタマテリアルの開発によって可能になった。これは通常、スーパーレンズとして機能する数原子の厚さの金や銀などの金属層を使用するか、1Dおよび2Dフォトニック結晶によって実現される。^{[12] [13]}以下のセクションで説明する伝搬波、エバネッセント波、近接場画像化、遠方場画像化の間には微妙な相互作用がある。^{[4] [14]}

メタマテリアルレンズ（スーパーレンズ）は、各インスタンスで負の屈折率を生成することで、ナノメートルサイズの画像を再構成することができます。これにより、急速に減衰するエバネッセント波が補正されます。メタマテリアル以前にも、超解像顕微鏡を作成するためのさまざまな技術が提案され、実証されていました。1928年には、アイルランドの物理学者エドワード・ハッチンソン・シングが、最終的に近接場走査型光学顕微鏡となるアイデアを考案し、開発したとされています。^{[15] [16] [17]}

1974 年には、2次元製造技術の提案が発表されました。これらの提案には、適切な平面基板上にパターンを浮き彫りにする接触イメージング、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、X 線リソグラフィー、またはイオン衝撃が含まれていました。^[18]メタマテリアル レンズとさまざまなリソグラフィーの共通の技術目標は、露光光の真空波長よりもはるかに小さい寸法の特徴を光学的に解像することです。 ^{[19] [20] 1981 年には、青色光 (400} nm )を使用した平面 (フラット) の超微細金属パターンの接触イメージングの 2 つの異なる技術が実証されました。1 つのデモンストレーションでは、画像解像度が 100 nm になり、もう 1 つのデモンストレーションでは 50 ～ 70 nm の解像度になりました。^[20]

1995年、ジョン・ゲラは50nmの線と間隔を持つ透明な格子（「メタマテリアル」）と従来の顕微鏡の浸漬対物レンズを組み合わせた。その結果生まれた「スーパーレンズ」は、同じく50nmの線と間隔を持つシリコンサンプルを解像し、空気中の650nmの波長を持つ照明によって課せられる古典的な回折限界をはるかに超えたものとなった。^[21]

少なくとも1998年以来、近接場光リソグラフィーはナノメートルスケールの特徴を作成するために設計されました。この技術の研究は、2000年から2001年に初めて実験的に実証された負の屈折率のメタマテリアルが登場したことで継続されました。新世紀の初めには、ナノメートルスケールのアプリケーションにおける電子ビームリソグラフィーの有効性も研究されていました。インプリントリソグラフィーは、ナノメートルスケールの研究と技術にとって望ましい利点があることが示されました。^{[19] [22]}

高度な深紫外線フォトリソグラフィーは現在100nm以下の解像度を実現できるが、最小の特徴サイズとパターン間の間隔は光の回折限界によって決まる。回折限界を克服するために、エバネッセント近接場リソグラフィー、近接場干渉リソグラフィー、位相シフトマスクリソグラフィーなどの派生技術が開発された。^[19]

2000年にジョン・ペンドリーは、光の波長以下の焦点を合わせるために、メタマテリアルレンズを使用してナノメートルスケールの画像化を実現することを提案した。^{[1] [23]}

完璧なレンズの元々の問題: 発生源から放射される電磁場の一般的な展開は、伝播波と近接場またはエバネッセント波の両方から構成されます。S 偏光を持つ電界を持つ 2 次元線源の例では、伝播成分とエバネッセント成分からなる平面波が、界面と平行に進みます。^[24]伝播波とより小さなエバネッセント波の両方が媒体界面と平行な方向に進むため、エバネッセント波は伝播方向に減衰します。通常の (正の屈折率の) 光学素子は伝播成分を再集束できますが、指数関数的に減衰する不均一成分は常に失われ、画像に集束するための回折限界につながります。^[24]

スーパーレンズは、波長以下の画像化が可能なレンズで、近接場光線の拡大を可能にします。従来のレンズは、いわゆる回折限界のため、1波長程度の解像度しかありません。この限界は、可視光の波長よりもはるかに小さい個々の原子などの非常に小さな物体の画像化を妨げます。スーパーレンズは回折限界を超えることができます。一例として、ペンドリーが説明した最初のレンズがあります。これは、負の屈折率を持つ材料のスラブを平面レンズとして使用します。理論上、完璧なレンズは完璧な焦点を合わせることができます。つまり、画像面でソース面の電磁場を完全に再現できるということです。

従来のレンズの性能限界は回折限界によるものです。Pendry (2000) によれば、回折限界は次のように理解できます。物体とレンズが Z 軸に沿って配置され、物体からの光線が +Z 方向に進むとします。物体から放射される場は、角度スペクトル法によって平面波の重ね合わせとして記述できます。

${\displaystyle E(x,y,z,t)=\sum _{k_{x},k_{y}}A(k_{x},k_{y})e^{i\left(k_{z }z+k_{y}y+k_{x}x-\omega t\right)},}$

ここで は次の関数です: ${\displaystyle k_{z}}$${\displaystyle k_{x},k_{y}}$

${\displaystyle k_{z}={\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.}$

エネルギーは+ z方向へ向かうので、正の平方根のみが取られる。実数である画像の角度スペクトルの成分はすべて通常のレンズによって透過され、再焦点化される。しかし、 ${\displaystyle k_{z}}$

${\displaystyle k_{x}^{2}+k_{y}^{2}>{\frac {\omega^{2}}{c^{2}}},}$

すると虚数となり、波はエバネッセント波となり、Z軸に沿って伝播するにつれて振幅が減衰します。これにより、画像化される物体の高周波（小規模）特徴に関する情報を含む波の高角周波数成分が失われます。得られる最高の解像度は、波長で表すことができます。 ${\displaystyle k_{z}}$

${\displaystyle k_{\text{max}}\approx {\frac {\omega }{c}}={\frac {2\pi }{\lambda }},}$

${\displaystyle \Delta x_{\text{min}}\approx \lambda .}$

スーパーレンズは限界を克服します。ペンドリー型スーパーレンズの屈折率はn =−1 (ε=−1、μ=−1) であり、このような材料では、+ z方向へのエネルギー輸送には波数ベクトルのz成分が反対の符号を持つ必要があります。

${\displaystyle k'_{z}=-{\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.}$

角周波数が大きい場合、エバネッセント波は大きくなるため、レンズの厚さが適切であれば、角スペクトルのすべての成分がレンズを歪みなく透過できます。エバネッセント波は成長方向にエネルギーを運ばないため、エネルギー保存則に問題はありません。ポインティングベクトルは成長方向に対して垂直に向いています。完全なレンズ内の進行波の場合、ポインティングベクトルは位相速度と反対の方向を向いています。^[3]

通常、波が2つの物質の界面を通過するとき、波は法線の反対側に現れます。しかし、界面が正の屈折率を持つ物質と負の屈折率を持つ別の物質の間にある場合、波は法線の同じ側に現れます。ペンドリーの完全なレンズの考えは、n =−1の平坦な物質です。このようなレンズは、通常は回折限界のために減衰する近接場光線をレンズ内で一度、レンズ外で一度焦点を合わせることを可能にし、サブ波長の画像化を可能にします。^[25]

スーパーレンズの構築はかつて不可能だと考えられていた。2000年にペンドリーは左手系の材料の単純な板で十分だと主張した。^{[26]しかし、負の誘電率と}透磁率の両方を持つメタマテリアルを製造するのはそれほど簡単ではないため、そのようなレンズの実験的実現にはさらに時間を要した。実際、そのような材料は自然には存在せず、必要なメタマテリアルの構築は簡単ではない。さらに、材料のパラメータは非常に敏感であることが示された（屈折率は -1 に等しくなければならない）。わずかな偏差でもサブ波長分解能は観測できない。^{[27] [28]}多くの（提案されている）スーパーレンズの実装はメタマテリアルの共鳴特性に依存しており、メタマテリアルは高度に分散している。材料パラメータに対するスーパーレンズの敏感な性質により、メタマテリアルに基づくスーパーレンズの使用可能な周波数範囲は限られている。この初期の理論的なスーパーレンズの設計は、波の減衰を補正し、近接場で画像を再構成するメタマテリアルで構成されていました。伝播波とエバネッセント波の両方が画像の解像度に貢献する可能性があります。^{[1] [23] [29]}

ペンドリーはまた、距離も非常に短く、光源の偏光が適切であれば、負のパラメータを 1 つだけ持つレンズでも近似的にスーパーレンズを形成できると示唆した。可視光の場合、これは有用な代替手段である。なぜなら、可視光の周波数で負の透過率を持つメタマテリアルを設計するのは難しいからである。金属は負の誘電率を持つ (ただし、負の透過率ではない) ため、良い代替手段となる。ペンドリーは、動作の予測波長 (356 nm) での損失が比較的低いため、銀の使用を提案した。2003 年、ペンドリーの理論は RF/マイクロ波周波数で初めて実験的に実証された^[13]。2005 年、2 つの独立したグループが紫外線領域でペンドリーのレンズを検証した。どちらも紫外線で照らされた銀の薄層を使用して、波長よりも小さい物体の「写真」を作成した。^{[30] [31]}可視光の負の屈折は、2003 年にイットリウムオルトバナデート(YVO ₄ ) 双結晶で実験的に検証された。^[32]

マイクロ波用のシンプルなスーパーレンズ設計では、平行な導電ワイヤの配列を使用できることが発見されました。 ^{[33]この構造により、} MRI画像の解像度を向上させることができることが示されました。

2004年、負の屈折率を持つ最初のスーパーレンズが回折限界の3倍の解像度を提供し、マイクロ波周波数で実証されました。^[34] 2005年に、最初の近接場スーパーレンズがN.Fangらによって実証されましたが、レンズは負の屈折に依存していませんでした。代わりに、薄い銀フィルムを使用して、表面プラズモン結合を介してエバネッセントモードを強化しました。^{[35] [36]}ほぼ同時に、MelvilleとBlaikieが近接場スーパーレンズに成功しました。他のグループもそれに続きました。^{[30] [37]} 2008年には、スーパーレンズ研究の2つの進展が報告されました。^[38] 2番目のケースでは、多孔質酸化アルミニウムに電気化学的に堆積された銀ナノワイヤからメタマテリアルが形成されました。この材料は負の屈折を示しました。^[39]このような等方性の負の誘電率スラブレンズの結像性能も、スラブの材料と厚さに関して分析されました。^[40]誘電テンソル成分が反対の符号を持つ平面一軸異方性レンズによるサブ波長イメージングの機会も、構造パラメータの関数として研究されている。^[41]

スーパーレンズは、可視光や近赤外線の周波数ではまだ実証されていません(Nielsen, RB; 2010)。さらに、分散材料であるため、これらは単一波長でしか機能しません。提案されている解決策は、金属誘電体複合材料 (MDC) ^[42]と多層レンズ構造です。^[43]多層スーパーレンズは、単層スーパーレンズよりもサブ波長解像度が優れているようです。多層システムでは損失がそれほど問題になりませんが、これまでのところ、インピーダンスの不整合のため実用的ではないようです。^[35]

ナノファブリケーション技術の進化によりナノ構造の製造の限界が押し上げられ続けているが、ナノフォトニックデバイスの設計においては表面粗さが依然として避けられない懸念事項となっている。この表面粗さが多層金属絶縁体スタックレンズの有効誘電率とサブ波長画像解像度に与える影響も研究されている。 ^[44]

従来のレンズを通して世界を観察する場合、画像の鮮明さは光の波長によって決まり、その波長に制限されます。2000 年頃、負の屈折率を持つメタマテリアルのスラブが、従来の (正の屈折率を持つ) レンズを超える機能を持つレンズを作成するために理論化されました。ペンドリーは、負の屈折率を持つメタマテリアルの薄いスラブが、一般的なレンズの既知の問題を克服し、伝播スペクトルとエバネッセント スペクトルの両方を含むスペクトル全体を焦点にする「完璧な」レンズを実現する可能性があると提案しました。^{[1] [45]}

メタマテリアルとして銀の板が提案された。より具体的には、このような銀の薄膜はメタ表面とみなすことができる。光が光源から遠ざかる（伝播する）と、任意の位相を獲得する。従来のレンズでは位相は一定のままであるが、エバネッセント波は指数関数的に減衰する。平坦なメタマテリアルDNG板では、通常減衰するエバネッセント波が逆に増幅される。さらに、エバネッセント波が増幅されると、位相が反転する。^[1]

そのため、金属フィルムメタマテリアルで構成されたレンズの一種が提案されました。このレンズはプラズマ周波数​​付近で照射されると、波の減衰を補正し、近接場で画像を再構成する超解像イメージングに使用できます。さらに、伝播波とエバネッセント波の両方が画像の解像度に寄与します。^[1]

ペンドリーは、左手系のスラブが完全に損失がなく、インピーダンスが整合し、周囲の媒体に対して屈折率が -1 であれば、「完璧な画像化」が可能になると示唆した。理論的には、これは光学バージョンが幅数ナノメートルの極小の物体を解像するという点で画期的なことである。ペンドリーは、屈折率n=-1のダブルネガティブメタマテリアル (DNG) が、少なくとも原理的には「完璧なレンズ」として機能し、波長ではなく材料の品質によって制限される画像解像度を可能にすると予測した。^{[1] [46] [47] [48]}

さらなる研究により、ペンドリーの完全レンズ理論は必ずしも正確ではないことが証明された。エバネッセントスペクトルの集束の解析（参考文献^[1]の式13～21 ）に欠陥があった。さらに、これは1つの（理論的な）例にのみ当てはまり、それは損失がなく、分散性のない特定の媒体であり、構成パラメータは次のように定義される：^[45]

ε(ω) / ε ₀ =μ(ω) / μ ₀ =−1、その結果、n=−1 の負の屈折が生じます。

しかし、伝播波と消失波の両方が焦点を合わせられ、その結果、スラブ内に収束焦点が形成され、スラブの向こう側に別の収束（焦点）が形成されるというこの理論の最終的な直感的な結果は正しいことが判明した。^[45]

DNGメタマテリアル媒体が大きな負の屈折率を持つか、損失または分散性を持つ場合、ペンドリーの完全なレンズ効果は実現できません。その結果、完全なレンズ効果は一般には存在しません。当時 (2001 年) のFDTD シミュレーションによると、DNG スラブはパルス円筒波からパルスビームへのコンバーターのように機能します。さらに、現実 (実践) では、DNG 媒体は分散性と損失性を持つ必要があり、研究やアプリケーションに応じて、望ましい効果または望ましくない効果を持つ可能性があります。その結果、ペンドリーの完全なレンズ効果は、DNG 媒体として設計されたメタマテリアルでは実現できません。^[45]

^{2002 年に行われた別の分析[24]}では、完全レンズの概念は、損失がなく分散のない DNG を対象に使用する際に誤りであることが示されました。この分析では、エバネッセント波の微妙な違い、有限のスラブへの制限、吸収が、散乱波場の基本的な数学的特性と矛盾する不一致や発散につながることが数学的に実証されました。たとえば、この分析では、分散に関連する吸収が実際には常に存在し、吸収によってこの媒体 (DNG) 内で増幅された波が減衰波に変換される傾向があると述べられています。^[24]

2003年に発表されたペンドリーの完全レンズ概念の3番目の分析^[49]では、マイクロ波周波数での負の屈折の最近の実証^[50]を使用して、完全レンズの基本概念の実現可能性を確認しました。さらに、この実証は、平面DNGメタマテリアルが点光源の遠距離場放射を再焦点化するという実験的証拠であると考えられていました。しかし、完全レンズには、実証された負の屈折サンプルとは大幅に異なる誘電率、透過率、および空間周期性の値が必要です。^{[49] [50]}

この研究は、ε=μ=−1の条件からの逸脱は、通常の従来の不完全な画像、すなわち回折限界に指数関数的に劣化する結果となることに同意している。損失のない完全なレンズソリューションは、やはり実用的ではなく、逆説的な解釈につながる可能性がある。^[24]

共鳴表面プラズモンはイメージングには望ましくないが、減衰するエバネッセント波の回復には不可欠であることが判明した。この分析により、メタマテリアルの周期性がエバネッセント成分の回復に大きな影響を与えることが判明した。さらに、現在の技術ではサブ波長分解能の達成は可能である。構造化されたメタマテリアルでは負の屈折率が実証されている。このような材料は、調整可能な材料パラメータを持つように設計できるため、最適な条件を実現できる。超伝導素子を使用した構造では、マイクロ波周波数までの損失を最小限に抑えることができる。さらに、代替構造を考慮すると、サブ波長の集束を実現できる左手系材料の構成につながる可能性がある。当時、このような構造が研究されていた。^[24]

プラズモン注入方式と呼ばれる、メタマテリアルの損失を補償するための効果的な方法が最近提案されました。^[51]プラズモン注入方式は、適度な材料損失がありノイズが存在する不完全な負の屈折率を持つフラットレンズ^{[52] [53]}やハイパーレンズ^[54]に理論的に適用されています。プラズモン注入方式で支援された不完全な負の屈折率を持つフラットレンズでも、損失とノイズのために不可能なオブジェクトのサブ回折イメージングが可能になることが示されています。プラズモン注入方式はもともとプラズモニックメタマテリアル用に概念化されましたが、^[51]その概念は一般的であり、すべてのタイプの電磁モードに適用できます。この方式の主なアイデアは、メタマテリアル内の損失モードと適切に構造化された外部補助フィールドとのコヒーレントな重ね合わせです。この補助フィールドはメタマテリアル内の損失を考慮しているため、メタマテリアルレンズの場合は信号ビームまたはオブジェクトフィールドで発生する損失を効果的に削減します。プラズモン注入方式は、物理的に実装することも^[53]、デコンボリューション後処理法 [52] によって同等に実装することもできます。^{[ 54]}ただし、物理的な実装はデコンボリューションよりも効果的であることがわかっています。畳み込みの物理的な構築と狭い帯域幅内での空間周波数の選択的増幅は、プラズモン注入方式の物理的な実装の鍵となります。この損失補償方式は、ゲイン媒体、非線形性、またはフォノンとの相互作用を必要としないため、特にメタマテリアル レンズに最適です。プラズモン注入方式の実験的実証は、理論がかなり新しいため、まだ示されていません。

ペンドリーの理論上のレンズは、伝播する波と近接場のエバネッセント波の両方を集束するように設計されました。誘電率「ε」と透磁率「μ」から屈折率「n」が導き出されます。屈折率は、光が1つの物質から別の物質に移動する時にどのように曲がるかを決定します。2003年に、n=−1物質とn=+1物質の交互に平行な層で構成されたメタマテリアルが、メタマテリアルレンズのより効果的な設計になるだろうと示唆されました。これは、複屈折、n ₂ =∞、n _x =0を示す多層スタックで構成された有効媒体です。有効屈折率はそれぞれ垂直と平行です。^[55]

従来のレンズと同様に、Z方向はロールの軸に沿っています。共振周波数（w0 _）は21.3MHz近くで、ロールの構造によって決まります。減衰は層の固有抵抗と誘電率の損失部分によって実現されます。^[55]

簡単に言えば、磁場パターンがスラブの入力面から出力面へ転送されるのと同様に、画像情報も各層を横切って転送される。これは実験的に実証された。この材料の 2 次元画像化性能をテストするために、文字 M の形をした 2 本の平行でないワイヤからアンテナが作られた。これにより磁束線が生成され、画像化のための特徴的な磁場パターンが提供される。このアンテナは水平に置かれ、その上に 21.5 MHz に調整された 271 個のスイスロールからなる材料が置かれた。この材料は確かに磁場の画像転送装置として機能する。アンテナの形状は、ピーク強度の分布と M を囲む「谷」の両方において、出力面において忠実に再現される。^[55]

非常に近い（エバネッセント）場の一貫した特徴は、電場と磁場がほぼ分離していることである。これにより、電場と誘電率、磁場と透磁率をほぼ独立して操作することができる。^[55]

さらに、これは高度に異方性のシステムです。したがって、材料を放射する電磁場の横方向（垂直方向）成分、つまり波数ベクトル成分k _xとk _{y は}、縦方向成分k _zから分離されています。そのため、画像情報の劣化なしに、電磁場パターンは材料のスラブの入力面から出力面に伝達されるはずです。^[55]

2003年、研究者グループは、銀メタマテリアルレンズを通過すると光のエバネッセント波が強化されることを示しました。これは回折のないレンズと呼ばれていました。コヒーレントで高解像度の画像は意図されておらず、達成もされていませんでしたが、エバネッセント場の再生は実験的に実証されました。^{[56] [57]}

2003 年までに、界面表面で励起状態を生成することでエバネッセント波を増強できることは数十年前から知られていました。しかし、表面プラズモンを使用してエバネッセント成分を再構成することは、ペンドリーの最近の提案 (上記の「完璧なレンズ」を参照) まで試みられていませんでした。さまざまな厚さのフィルムを研究することで、適切な条件下では透過係数が急速に増加することが確認されました。この実証は、スーパーレンズの基礎がしっかりしていることを直接証明し、光波長でスーパーレンズを観測できるようにする道筋を示しました。^[57]

2005年、コヒーレントな高解像度画像が生成された（2003年の結果に基づく）。より薄い銀板（35nm）は、照射波長の6分の1となる回折限界以下の画像化に適していた。このタイプのレンズは、波の減衰を補正し、近距離場における画像を再構成するために使用された。実用的なスーパーレンズを作成する以前の試みでは、厚すぎる銀板が使用されていた。^{[23] [46]}

直径40nmほどの物体が撮影された。2005年当時、光学顕微鏡の撮影解像度の限界は赤血球の直径の約10分の1だった。銀スーパーレンズを使うと、赤血球の直径の100分の1の解像度が得られる。^[56]

従来のレンズは、人工であれ天然であれ、あらゆる物体が発する伝播する光波を捉えて曲げることで画像を作成します。曲げ角度は屈折率によって決まり、人工的に負の屈折率を持つ材料が作られるまでは常に正でした。物体は物体の詳細を伝えるエバネッセント波も発しますが、これは従来の光学では得られません。このようなエバネッセント波は指数関数的に減衰するため、画像解像度の一部にはなりません。この光学限界は回折限界として知られています。この回折限界を破り、エバネッセント波を捉えることは、物体の 100 パーセント完璧な表現を作成するために不可欠です。^[23]

さらに、従来の光学材料は、光源から（光学材料によって）伝播する成分のみが透過するため、回折限界に悩まされる。^[23]伝播しない成分、つまりエバネッセント波は透過しない。^{[24]さらに、}屈折率を上げて画像解像度を向上させるレンズは、高屈折率材料の可用性によって制限され、電子顕微鏡によるポイントごとのサブ波長イメージングも、実用的なスーパーレンズの潜在能力と比較すると限界がある。走査型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡は現在、数ナノメートルまでの詳細を捉えるために使用されている。しかし、このような顕微鏡は、物体をポイントごとにスキャンして画像を作成するため、通常は非生物サンプルに限定され、画像キャプチャに数分かかることがある。^[23]

現在の光学顕微鏡では、科学者は細胞内の比較的大きな構造、例えば核やミトコンドリアなどしか見分けることができません。スーパーレンズがあれば、将来的には細胞の骨格を構成する微小管に沿って移動する個々のタンパク質の動きを光学顕微鏡で明らかにできるかもしれないと研究者は述べています。光学顕微鏡は、1 秒未満で 1 枚のスナップショットでフレーム全体を捉えることができます。スーパーレンズにより、生体材料のナノスケール画像化が可能になり、生物学者がリアルタイムで細胞の構造と機能をより深く理解できるようになります。^[23]

THzおよび赤外線領域における磁気結合の進歩により、メタマテリアル スーパーレンズの実現が可能になりました。しかし、近接場では、材料の電気応答と磁気応答は分離されます。したがって、横方向磁気 (TM) 波の場合、誘電率のみを考慮する必要があります。負の誘電率を簡単に達成できるため、貴金属はスーパーレンズの自然な選択肢となります。^[23]

薄い金属板を設計し、表面電流の振動（表面プラズモン）が物体からのエバネッセント波と一致するようにすることで、スーパーレンズは場の振幅を大幅に増強することができる。スーパーレンズ効果は表面プラズモンによるエバネッセント波の増強によって生じる。^{[23] [56]}

スーパーレンズの鍵は、非常に小さなスケールで情報を運ぶエバネッセント波を大幅に増強し、回復する能力です。これにより、回折限界をはるかに下回る画像化が可能になります。物体から放出されるエバネッセント波をすべて完全に再構成できるレンズはまだ存在しないため、100% 完璧な画像という目標は変わりません。しかし、多くの科学者は、波が既知の物質を通過する際に必ずいくらかのエネルギー吸収損失が発生するため、真に完璧なレンズは不可能であると考えています。比較すると、スーパーレンズの画像は、銀スーパーレンズなしで作成された画像よりも大幅に優れています。^[23]

2004 年 2 月、負の屈折率を持つメタマテリアル プレートをベースにした電磁放射線集束システムにより、マイクロ波領域でのサブ波長イメージングが実現しました。これにより、光の波長よりもはるかに短い波長で分離された画像を取得できることが示されました。^{[58]また、2004 年には、銀層がサブ}マイクロメートルの近接場イメージングに使用されました。超高解像度は達成されませんでしたが、これは意図されたことでした。銀層は厚すぎて、エバネッセント場成分を大幅に強化することができませんでした。^[30]

2005年初頭、異なる銀層で特徴解像度が達成されました。これは実際の画像ではありませんでしたが、意図されたものでした。水銀ランプからの照明を使用して、厚さ50nmのフォトレジストで250nmまでの高密度特徴解像度が生成されました。シミュレーション（FDTD）を使用して、研究では、銀レンズを介した画像化では、近接場画像化の別の方法よりも解像度の向上が期待できることが指摘されました。^[59]

この先行研究を基に、50nmの平坦な銀層を用いて光周波数での超解像が達成された。遠距離場イメージングにおいて回折限界を超えて画像を解像する能力をここでは超解像と定義する。^[30]

画像の忠実度は、以前の実験用レンズスタックの初期結果よりも大幅に向上しています。より薄い銀およびスペーサー層を使用し、レンズスタックの表面粗さを低減することで、サブミクロンの特徴の結像が大幅に改善されました。従来の（遠距離場）レンズが周期的な物体（この場合、画像は回折格子）を結像する能力には具体的な限界があるため、銀レンズが格子を結像する能力は、究極の解像度テストとして使用されました。垂直入射照明の場合、屈折率nの媒体を介して波長λで解像できる最小空間周期はλ/nです。したがって、この限界を下回る（従来の）遠距離場画像では、結像レジストがいかに優れていても、コントラストはゼロになると予想されます。^[30]

ここでの（スーパー）レンズスタックは、計算結果では回折限界解像度 243 nm という結果になりました。500 nm から 170 nm までの周期を持つ格子が画像化され、格子周期が短くなるにつれてレジストの変調の深さも減少します。回折限界（243 nm）を超える周期を持つ格子はすべて、十分に解像されています。^[30]この実験の重要な結果は、200 nm および 170 nm 周期のサブ回折限界のスーパー画像化です。どちらの場合も、コントラストは低下しますが、格子は解像されます。これは、ペンドリーのスーパーレンズ化の提案を実験的に確認するものです。^[30]

勾配屈折率（GRIN） – メタマテリアルで利用できる材料応答の範囲が広いため、GRINレンズの設計が改善されるはずです。特に、メタマテリアルの誘電率と透過率は独立して調整できるため、メタマテリアルGRINレンズは自由空間に適合すると考えられます。GRINレンズは、伝播方向zに垂直なy方向に可変屈折率を持つNIMのスラブを使用して構築されます。^[60]

2005年に、あるグループが、適切に設計された周期的に波形を付けられた金属板ベースのスーパーレンズである遠距離場スーパーレンズ（FSL）と呼ばれる新しいデバイスを使用して、近接場の制限を克服する理論的な方法を提案しました。^[61]

近接場実験の次のステップとして、遠距離場におけるイメージングが実験的に実証されました。重要な要素は、従来のスーパーレンズとナノスケールのカップラーで構成される遠距離場スーパーレンズ（FSL）と呼ばれています。^[62]

遠方場に設置された時間反転ミラーと、焦点の近傍場に設置された散乱体のランダム分布の両方を使用して、マイクロ波をサブ波長集束させるアプローチが提示されている。^[63]

近接場イメージングの能力が実証されると、次のステップは近接場画像を遠距離場に投影することだった。この技術と材料を含む概念は「ハイパーレンズ」と呼ばれている。^{[64] [65]}

2012年5月、計算により、窒化ホウ素とグラフェンの交互層を使用して紫外線（1200～1400 THz）ハイパーレンズを作成できることが示されました。^[66]

2018年2月には、可変ドープのインジウムヒ素多層膜から作られた中赤外線（約5～25μm）ハイパーレンズが導入され、損失が大幅に低減されました。^[67]

回折限界以下のイメージングのためのメタマテリアルハイパーレンズの能力を以下に示します。

従来の光学レンズでは、遠距離場はエバネッセント波がそのまま到達するには遠すぎる限界である。物体を画像化する場合、レンズの光学解像度は光の波長のオーダーに制限される。これらの非伝播波は、高空間解像度の形で詳細な情報を運び、限界を克服する。したがって、通常は回折によって制限される画像の詳細を遠距離場に投影するには、エバネッセント波の回復が必要である。^[68]

この調査と実証に至るまでの基本的なステップは、双曲分散を持つ異方性メタマテリアルの採用でした。その効果は、通常のエバネッセント波が層状メタマテリアルの半径方向に沿って伝播するというものでした。微視的レベルでは、大きな空間周波数の波が金属層間の結合表面プラズモン励起を通じて伝播します。^[68]

2007年、まさにそのような異方性メタマテリアルが拡大光学ハイパーレンズとして採用されました。ハイパーレンズは、半円筒形の空洞に堆積され、石英基板上に製造された薄い銀とアルミナ（厚さ35ナノメートル）の湾曲した周期的スタックで構成されていました。半径方向と接線方向の誘電率は異なる符号を持っています。^[68]

照明されると、物体から散乱したエバネッセント場が異方性媒体に入り、半径方向に沿って伝播します。メタマテリアルの別の効果と相まって、ハイパーレンズの外側の回折限界境界に拡大された画像が発生します。拡大された特徴が回折限界よりも大きくなると（回折限界を超えると）、従来の光学顕微鏡で画像化することができ、遠方場への回折限界以下の画像の拡大と投影が実証されます。^[68]

ハイパーレンズは、散乱したエバネッセント波を異方性媒体の伝播波に変換することで物体を拡大し、空間分解能の高い画像を遠距離場に投影します。このタイプのメタマテリアルベースのレンズは、従来の光学レンズと組み合わせることで、通常の光学顕微鏡では識別できないほど小さなパターンを明らかにすることができます。ある実験では、レンズは150ナノメートル間隔でエッチングされた2本の35ナノメートルの線を区別することができました。メタマテリアルがなければ、顕微鏡は1本の太い線しか表示しませんでした。^[14]

対照実験では、線対物体はハイパーレンズなしで撮影された。線対は、（光学）開口部の回折限界が260nmに制限されていたため、解像できなかった。ハイパーレンズは非常に広いスペクトルの波動ベクトルの伝播をサポートしているため、回折限界以下の解像度で任意の物体を拡大することができる。^[68]

この研究は円筒​​形のハイパーレンズに過ぎないという限界があるように思われるが、次のステップは球面レンズを設計することである。そのレンズは3次元機能を発揮する。近接場光学顕微鏡は、先端を使って物体をスキャンする。対照的に、この光学ハイパーレンズは、回折限界以下の画像を拡大する。拡大された回折限界以下の画像は、遠視野に投影される。^{[14] [68]}

光学ハイパーレンズは、リアルタイムの生体分子イメージングやナノリソグラフィーなどの用途で注目すべき可能性を示しています。このようなレンズは、これまでは見ることが不可能だった細胞プロセスを観察するために使用できます。逆に、コンピュータチップの製造に使用されるプロセスであるフォトリソグラフィーの最初のステップとして、フォトレジストに非常に微細な特徴を持つ画像を投影するために使用できます。ハイパーレンズはDVD技術にも応用されています。^{[14] [68]}

2010年、可視周波数での2次元画像化のための球面ハイパーレンズが実験的に実証されました。球面ハイパーレンズは銀と酸化チタンの交互層をベースにしており、強い異方性双曲分散を持ち、可視スペクトルでの超解像を可能にしました。可視スペクトルでの解像度は160nmでした。これは細胞レベルとDNAレベルでの生物学的画像化を可能にし、遠距離場へのサブ回折解像度を拡大するという大きな利点があります。 ^[69]

2007年に研究者らは、負の屈折率を作り出し、可視範囲でレンズ効果を実現する材料を使用したスーパーイメージングを実証した。^[46]

ナノテクノロジーと微生物学の進歩に遅れを取らないためには、光学顕微鏡の継続的な改良が必要です。空間分解能の向上が鍵となります。従来の光学顕微鏡は、200ナノメートル（波長）程度の回折限界によって制限されています。つまり、ウイルス、タンパク質、DNA分子、その他多くのサンプルを通常の（光学）顕微鏡で観察することは困難です。負の屈折率を持つ材料で以前に実証されたレンズ、薄い平面スーパーレンズは、従来の顕微鏡の回折限界を超える拡大は提供しません。したがって、従来の回折限界よりも小さい画像は依然として利用できません。^[46]

可視波長で超解像を実現するもう一つのアプローチは、銀と酸化チタンの交互層をベースにした最近開発された球面ハイパーレンズである。これは強い異方性双曲分散を持ち、エバネッセント波を伝播波に変換することで超解像を可能にする。この方法は非蛍光ベースの超解像イメージングであり、画像や情報を再構成することなくリアルタイムイメージングを実現する。^[69]

2008年までに、回折限界を超え、誘導放出抑制（STED）とそれに関連するRESOLFT（可逆飽和光学線形蛍光遷移）顕微鏡、飽和構造化照明顕微鏡（SSIM）、確率的光学再構成顕微鏡（STORM）、光活性化局在顕微鏡（PALM）、および同様の原理を使用する他の方法を含むいくつかの「超解像」遠距離場顕微鏡技術によって20〜50nmの横方向の画像解像度が達成されました。^[70]

これは2003年にペンドリーの提案から始まった。画像を拡大するには、負の屈折レンズの表面を湾曲させるという新しい設計コンセプトが必要だった。1つの円筒が別の円筒に接することで湾曲した円筒レンズができ、小さな円筒の内容を拡大したが歪みのない形で大きな円筒の外側に再現する。元の完全なレンズを円筒状のレンズ構造に曲げるには座標変換が必要である。^[71]

これに続いて2005年には、円筒形スーパーレンズが準静的領域で機能するという36ページの概念的かつ数学的な証明が発表された。最初に完全なレンズに関する議論が議論された。^[72]

2007年には、座標変換を利用したスーパーレンズが再び話題になりました。しかし、画像転送に加えて、他の有用な操作、つまり並進、回転、ミラーリング、反転、およびスーパーレンズ効果についても議論されました。さらに、自由空間ソース（導波路ではなく）を利用しながら、入力側と出力側の両方で幾何学的収差のない拡大を実行する要素が説明されています。これらの拡大要素は、近距離場と遠距離場でも動作し、画像を近距離場から遠距離場に転送します。^[73]

円筒状の拡大スーパーレンズは、2007年にLiuら^[68]とSmolyaninovら^{[46] [74]の2つのグループによって実験的に実証されました。}

2007年の研究では、金属スクリーン内の準周期的ナノホールアレイが平面波の光エネルギーを集中させて波長以下のスポット（ホットスポット）を形成できることが実証された。スポットの距離はアレイの反対側、つまり入射平面波の反対側で数十波長であった。準周期的ナノホールアレイは集光器として機能した。^[75]

2008 年 6 月には、金属スクリーンに準結晶ナノホールのアレイを配置する能力が実証されました。ホットスポットを集中させるだけでなく、アレイの反対側 (画像面) に、アレイから数十波長離れた点光源の画像が表示されます。また、このタイプのアレイは、点光源の位置から画像面上のそれぞれの平行位置への 1 対 1 の線形変位を示しました。つまり、x から x + δx です。たとえば、他の点光源も同様に x' から x' + δx'、x^ から x^ + δx^、x^^ から x^^ + δx^^ などに移動しました。これは、光集光器として機能するのではなく、点光源ではありますが、1 対 1 の対応で従来のレンズ画像化の機能を果たします。^[75]

しかし、より複雑な構造の解像度は、複数の点光源の構成として達成することができます。従来のレンズの高い開口数に通常伴う細かいディテールと明るい画像を確実に生成することができます。この技術の注目すべき用途は、従来の光学が手元のタスクに適していない場合に発生します。たとえば、この技術はX線イメージングやナノ光回路などに適しています。 ^[75]

2010年には、誘電体基板に堆積されたバルクナノワイヤで構成される、3次元（3D）メタマテリアルナノレンズと呼ばれるナノワイヤアレイのプロトタイプが製造され、テストされました。^{[76] [77]}

メタマテリアルナノレンズは、直径20ナノメートルのナノワイヤを何百万本も使用して作られました。これらは正確に整列され、パッケージ化された構成が適用されました。レンズは、通常の伝播電磁放射とエバネッセント波の両方を使用して画像を構築するため、ナノサイズの物体の鮮明で高解像度の画像を描写できます。超解像イメージングは​​、遠距離で波長（λ）の6倍の距離にわたって、少なくともλ/4の解像度で実証されました。これは、以下で説明するナノホールアレイを含む、他の近距離および遠距離イメージングの以前の研究および実証よりも大幅に改善されています。^{[76] [77]}

2009–12. 周期構造の単位長さが動作波長よりもはるかに小さいメタマテリアル限界における穴あき金属膜の光透過特性を理論的に解析した。^[78]

理論的には、複雑な電磁画像を、画像の直径よりもかなり小さい直径を持つ小さなサブ波長の穴を通して、サブ波長の詳細を失うことなく伝送することが可能であると思われる。^[79]

生きた細胞内の複雑なプロセスを観察する場合、重要なプロセス（変化）や詳細を見落としがちです。これは、展開に長い時間がかかり、高空間解像度の画像化を必要とする変化を観察する場合に、さらに起こりやすくなります。しかし、最近の研究では、細胞内で数時間または数日にわたって発生する活動を精査するソリューションが提供されており、これらの小さな生物で発生する分子レベルのイベントに関連する多くの謎を解明する可能性があります。^[80]

国立標準技術研究所（NIST）と国立アレルギー感染症研究所（NIAID）の共同研究チームは、ナノ粒子を使って細胞内部を照らし、こうしたゆっくりとしたプロセスを明らかにする方法を発見した。細胞の何千倍も小さいナノ粒子は、さまざまな用途に使われている。量子ドットと呼ばれるナノ粒子の一種は、光にさらされると光る。これらの半導体粒子は有機材料でコーティングすることができ、科学者が調べたい細胞の部分にある特定のタンパク質に引き寄せられるように調整されている。^[80]

注目すべきことに、量子ドットは、細胞内部を照らすためにこれまで使用されてきた多くの有機染料や蛍光タンパク質よりも長持ちします。また、電子顕微鏡などのほとんどの高解像度技術では、ある瞬間に凍結された細胞プロセスの画像しか提供できないのに対し、量子ドットには細胞プロセスの変化を監視できるという利点もあります。量子ドットを使用すると、タンパク質の動的運動を伴う細胞プロセスを観察（解明）できます。^[80]

この研究は主に量子ドットの特性を特徴づけ、他の画像化技術と比較することに焦点を当てた。ある例では、量子ドットは細胞の内膜のネットワーク構造の一部を形成する特定のタイプのヒト赤血球タンパク質をターゲットにするように設計された。これらのタンパク質が健康な細胞内で密集すると、ネットワークは細胞に機械的な柔軟性を与え、狭い毛細血管やその他の狭い空間を通り抜けることができる。しかし、細胞がマラリア原虫に感染すると、ネットワークタンパク質の構造が変化する。^[80]

クラスタリングのメカニズムは十分に理解されていないため、量子ドットで調べることにしました。クラスタリングを視覚化する技術が開発されれば、いくつかの明確な発達段階を持つマラリア感染の進行を理解できるようになります。^[80]

研究の結果、膜タンパク質が密集するにつれて、そこに付着した量子ドットがクラスターを形成し、より明るく光るようになり、タンパク質のクラスター形成が進むにつれてリアルタイムで観察できるようになることが明らかになった。さらに広い意味では、量子ドットが他のナノ材料に付着すると、ドットの光学特性がそれぞれの場合に独特な方法で変化することが研究で明らかになった。さらに、量子ドットの光学特性はナノスケールの環境が変化すると変化するという証拠が発見され、量子ドットを使用して細胞内の局所的な生化学的環境を感知できる可能性が高まった。^[80]

毒性やその他の特性については依然として懸念が残っているが、全体的な調査結果は量子ドットが動的な細胞プロセスを調査するための貴重なツールとなる可能性があることを示している。^[80]

関連する公開研究論文の要約には、次のように記載されています (一部): さまざまな化学的および物理的環境におけるバイオコンジュゲートナノ結晶または量子ドット (QD) の動的蛍光特性に関する結果が示されています。さまざまな QD サンプルを準備して比較しました: 分離された個々の QD、QD 集合体、および他のナノスケール材料と結合した QD...

 この記事には、国立標準技術研究所の パブリックドメイン資料が組み込まれています。