La super lentille : une avancée de près de 400% dans la résolution optique

Depuis la découverte du monde des bactéries par Antonie van Leeuwenhoek à la fin du XVIIe siècle grâce à un microscope, l’humanité a cherché à explorer plus profondément l’univers de l’infiniment petit. Il existe toutefois des limites physiques à la proximité avec laquelle nous pouvons examiner un objet en utilisant des méthodes optiques traditionnelles.

C’est ce qu’on appelle la ‘limite de diffraction’, déterminée par le fait que la lumière se manifeste sous forme d’onde. Cela signifie qu’une image focalisée ne peut jamais être plus petite que la moitié de la longueur d’onde de la lumière utilisée pour observer un objet. Les tentatives pour briser cette limite avec des « super lentilles » ont toutes rencontré l’obstacle des pertes visuelles extrêmes, rendant les lentilles opaques.

Une nouvelle voie pour la superlentille

Aujourd’hui, des physiciens de l’Université de Sydney ont montré une nouvelle voie pour réaliser une super-lentille avec des pertes minimales, dépassant la limite de diffraction par un facteur de près de quatre fois. La clé de leur succès a été de supprimer complètement la super lentille. Leurs recherches sont publiées aujourd’hui dans Nature Communications.

Ce travail devrait permettre aux scientifiques d’améliorer encore la microscopie à super-résolution, disent les chercheurs. Il pourrait faire progresser l’imagerie dans des domaines aussi variés que le diagnostic du cancer, l’imagerie médicale, l’archéologie et la médecine légale.

Le Dr Alessandro Tuniz, auteur principal de la recherche, a précisé : « Nous avons maintenant développé une manière pratique de mettre en œuvre la super-lentille, sans super lentille. Pour ce faire, nous avons placé notre sonde lumineuse loin de l’objet et collecté à la fois des informations à haute et basse résolution. En mesurant plus loin, la sonde n’interfère pas avec les données à haute résolution, un problème des méthodes précédentes. »

Les tentatives précédentes ont essayé de fabriquer des super lentilles en utilisant des matériaux novateurs. Cependant, la plupart des matériaux absorbent trop de lumière pour rendre la super lentille utile.

Le Dr Tuniz a ajouté : « Nous surmontons cela en effectuant l’opération de super-lentille comme une étape de post-traitement sur un ordinateur, après la mesure elle-même. Cela produit une image ‘véridique’ de l’objet grâce à l’amplification sélective des ondes lumineuses évanescentes. »

Le co-auteur, le professeur associé Boris Kuhlmey, également de l’école de physique et de Sydney Nano, a indiqué : « Notre méthode pourrait être appliquée pour déterminer le taux d’humidité des feuilles avec une plus grande résolution, ou être utile dans les techniques avancées de microfabrication, telles que l’évaluation non destructive de l’intégrité des micropuces. »

« Elle pourrait même être utilisée pour révéler les couches cachées d’une œuvre d’art, ce qui pourrait s’avérer utile pour découvrir des contrefaçons ou des œuvres cachées. »

En règle générale, les tentatives de super-lentille ont essayé de se concentrer sur les informations à haute résolution. En effet, ces données utiles décroissent de manière exponentielle avec la distance et sont rapidement dépassées par les données à faible résolution, qui ne décroissent pas aussi rapidement. Le fait d’approcher la sonde si près d’un objet déforme par contre l’image.

« En éloignant notre sonde, nous pouvons maintenir l’intégrité des informations à haute résolution et utiliser une technique de post-observation pour filtrer les données à basse résolution », a dit Boris Kuhlmey.

La recherche a été effectuée en utilisant la lumière à la fréquence térahertz à la longueur d’onde millimétrique, dans la région du spectre entre le visible et les micro-ondes.

« Il s’agit d’une gamme de fréquences très difficile à utiliser, mais très intéressante, car elle nous permet d’obtenir des informations importantes sur les échantillons biologiques, telles que la structure des protéines, la dynamique de l’hydratation, ou de les utiliser pour l’imagerie du cancer » a commenté une nouvelle vois le professeur Boris Kuhlmey.

Le Dr Tuniz a conclu : « Cette technique est un premier pas vers la réalisation d’images à haute résolution tout en restant à une distance sûre de l’objet sans déformer ce que l’on voit. Notre technique pourrait être utilisée dans d’autres gammes de fréquences. Nous pensons que cette technique intéressera tous ceux qui pratiquent la microscopie optique à haute résolution. »

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la limite de diffraction ?

La limite de diffraction est une contrainte physique qui détermine la proximité avec laquelle nous pouvons examiner un objet en utilisant des méthodes optiques traditionnelles. Elle est définie par le fait que la lumière se manifeste sous forme d’onde, ce qui signifie qu’une image focalisée ne peut jamais être plus petite que la moitié de la longueur d’onde de la lumière utilisée pour observer un objet.

2. Qu’est-ce qu’une super lentille ?

Une super lentille est un dispositif qui tente de dépasser la limite de diffraction. Cependant, toutes les tentatives pour créer une super lentille ont rencontré l’obstacle des pertes visuelles extrêmes, rendant les lentilles opaques.

3. Comment les chercheurs ont réussi à dépasser la limite de diffraction ?

Les chercheurs de l’Université de Sydney ont réussi à dépasser la limite de diffraction en supprimant complètement la super lentille. Ils ont placé leur sonde lumineuse loin de l’objet et ont collecté à la fois des informations à haute et basse résolution. En mesurant plus loin, la sonde n’interfère pas avec les données à haute résolution, un problème des méthodes précédentes.

4. Quels sont les avantages potentiels de cette nouvelle méthode ?

Cette nouvelle méthode pourrait permettre aux scientifiques d’améliorer encore la microscopie à super-résolution. Elle pourrait faire progresser l’imagerie dans des domaines aussi variés que le diagnostic du cancer, l’imagerie médicale, l’archéologie et la médecine légale.

5. Quels sont les défis associés à l’utilisation de super lentilles ?

Les tentatives précédentes pour créer des super lentilles ont utilisé des matériaux novateurs. Cependant, la plupart des matériaux absorbent trop de lumière pour rendre la super lentille utile. Les chercheurs de l’Université de Sydney ont surmonté ce problème en effectuant l’opération de superlentille comme une étape de post-traitement sur un ordinateur, après la mesure elle-même.

Article : A Tuniz & B Kuhlmey, ‘Subwavelength terahertz imaging via virtual superlensing in the radiating near field’, Nature Communications (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-41949-5

Les informations contenues dans cet article sont basées sur les recherches publiées dans Nature Communications par l’équipe de l’Université de Sydney.