超越物理极限的分辨率

光学成像的分辨率受到衍射极限的限制，也就是说，我们不能用可见光来观察比波长更小的物体。这是因为当光波通过一个小孔或者一个透镜时，它会发生衍射，导致成像模糊。衍射极限可以用瑞利判据来描述，它给出了两个点能够被分辨的最小角距离：θ=1.22λ/D。

其中θ是角距离，λ是光波的波长，D是孔径或者透镜的直径。你可以看到，如果我们想要提高分辨率，也就是减小θ，我们需要减小波长或者增大孔径。但是这两种方法都有它们的局限性。首先，可见光的波长已经很小了，大约在400-700纳米之间，如果我们想要用更短的波长，比如X射线或者伽马射线，我们就需要面对更高的能量和更大的危险。其次，增大孔径也不是一件容易的事情，因为我们需要制造更大的透镜或者反射镜，并且保证它们的精度和稳定性。

那么有没有其他的方法来突破衍射极限呢？答案是有的。一种方法是利用近场辐射，也就是指在物体表面附近产生的电磁波。近场辐射有一个特点，就是它可以携带亚波长的信息，它可以反映出比波长更小的物体的细节。但是近场辐射也有一个缺点，就是它衰减得非常快，随着距离的增加，它的强度会指数下降。这就意味着，如果我们想要用近场辐射来成像，我们需要把探测器放得非常靠近物体表面，并且扫描每一个位置。这样做非常耗时和低效。
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那么有没有办法把近场辐射转换成远场辐射，也就是指在物体表面远处可以检测到的电磁波呢？答案也是有的。一种方法是利用虚拟超透镜，也就是指一种可以放大和传输近场辐射的结构。虚拟超透镜不需要实际存在于空间中，它只需要满足一些条件，比如具有负折射率或者负介电常数。这样一来，近场辐射就可以被虚拟超透镜聚焦和放大，并且以远场辐射的形式从另一侧发出。这样我们就可以用普通的探测器来接收远场辐射，并且重建出物体的亚波长图像。

这种方法听起来很神奇，但是它是真的吗？有没有实验的证据呢？答案当然是有的。发表在《自然通讯》的一篇论文中，作者就展示了如何用虚拟超透镜来实现亚波长的太赫兹成像。太赫兹是指一种介于微波和红外之间的电磁波，它的波长大约在0.1-1毫米之间。太赫兹成像也受到衍射极限的限制，如果我们想要观察更小的物体，我们就需要用更高频的太赫兹源和更灵敏的太赫兹探测器，这都是非常困难和昂贵的。

作者的方法是这样的：他们首先用一个金属板作为一个太赫兹源，它可以产生一种叫做表面等离激元的近场辐射。表面等离激元是指一种在金属表面和空气之间传播的电磁波，它可以携带亚波长的信息，并且可以被调制和控制。然后他们在金属板上刻出一个小孔，作为一个虚拟超透镜。这个小孔可以把表面等离激元转换成远场辐射，并且放大它们。最后他们在金属板的另一侧放置一个物体，比如一个字母或者一个图案，并且用一个普通的太赫兹探测器来接收从小孔发出的远场辐射。他们发现，他们可以重建出物体的亚波长图像，并且达到了0.06毫米的分辨率，这比太赫兹波长要小得多。