В классической оптике предел разрешения линз определяется дифракционным пределом Аббе. Этот предел связан с тем, что волны, распространяющиеся в среде, разделяются на две категории:
Именно потеря эванесцентных волн приводит к невозможности формирования изображения с детализацией ниже половины длины волны падающего излучения. Таким образом, традиционные линзы, даже при идеальной апертуре, ограничены фундаментальным дифракционным пределом.
В 2000 году Джон Пендри предложил концепцию сверхлинзы, использующей материалы с отрицательным показателем преломления. Основная идея заключалась в следующем: если создать среду, в которой одновременно отрицательны электрическая (ε) и магнитная (μ) проницаемости, то такая среда способна не только фокусировать обычные пропагирующие волны, но и усиливать затухающие эванесцентные волны.
Таким образом, линза, выполненная из левостороннего метаматериала, может воспроизводить на выходной стороне все спектральные компоненты электромагнитного поля объекта — как распространяющиеся, так и затухающие. Это открывает возможность формировать изображения с разрешением, значительно превышающим дифракционный предел.
Для объяснения работы сверхлинзы необходимо рассмотреть поведение волн на границе раздела метаматериала с отрицательными параметрами.
Таким образом, сверхлинза не только корректирует ход лучей, но и работает с волновыми фронтами на уровне их полного спектра.
В первоначальном варианте Пендри рассматривал простейшую систему — тонкую пластину метаматериала с ε = −1 и μ = −1, помещённую между источником и областью наблюдения.
Реализовать такие материалы оказалось крайне сложно, особенно в оптическом диапазоне. Первые эксперименты были проведены в микроволновом и терагерцевом диапазонах, где удалось синтезировать метаматериалы с отрицательным показателем преломления за счёт искусственных структур: сплит-резонаторов, металлических решёток и нанопластин.
Хотя теория сверхлинзы обещает идеальное восстановление изображения, практические реализации сталкиваются с рядом ограничений:
Поглощение в материале Реальные метаматериалы обладают потерями, связанными с электрической проводимостью и диэлектрическими потерями. Усиление эванесцентных волн компенсируется этими потерями, что ограничивает разрешающую способность.
Ограниченная толщина Эффект восстановления наблюдается только для тонких пластин (толщина сравнима с длиной волны). При увеличении толщины экспоненциальное усиление сменяется сильным поглощением.
Частотная дисперсия Материалы с отрицательными ε и μ обычно обладают узкой полосой частот, в которой выполняются необходимые условия. Это ограничивает диапазон применения сверхлинзы.
Неустойчивость к возмущениям Малейшее отклонение параметров ε и μ от идеальных значений приводит к нарушению точного восстановления изображения.
После работы Пендри было предложено несколько модификаций и альтернативных подходов:
Эти направления позволяют постепенно преодолевать фундаментальные и технологические ограничения первоначальной идеи Пендри и расширять область применения сверхлинз в нанофотонике, биомедицинской визуализации и оптических наноустройствах.