在光学领域，有一个长期存在的障碍，长期以来一直挑战着科学家和研究人员：衍射极限(diffraction limit)。光学成像中的这一基本约束，由光的波长和系统的数值孔径决定，决定了两个距离为所用光波长一半的物体不能被分辨为两个物体。但是，是否有办法超越这个极限呢？超透镜（superlenses）和超成像（superimaging）提供了解决方案。

衍射极限

当光与物体相互作用或通过光圈时，它不只是沿着直线移动。它在被称为衍射的现象中弯曲、散射和扩散。在传统的光学显微镜中，这种传播效果意味着人们可以可靠地辨别出最细微的细节大约是光波长的一半。因此，如果您使用400到700纳米的可见光，您实际上只能区分相距数百纳米的细节。这听起来可能非常详细，对于许多应用来说，它就是这样。但是，当你深入研究细胞生物学、纳米技术或高级微制造等领域时，这种分辨率就太粗糙了。

超镜头

但是，如果有办法绕过这个衍射极限呢？这就是超级透镜发挥作用的地方。超透镜概念的核心是一种奇怪的现象，称为消逝波（evanescent waves）。当光与物体相互作用时，它会产生这些转瞬即逝的波浪，这些波浪承载着物体最微妙的细节。在典型的光学系统中，这些波褪色得太快，没有任何用处。但是，如果你有一个可以在这些波消失之前放大这些波的媒介，理论上你可以捕捉到这些精细的细节。

超透镜实现了这一功能。这些透镜通常由专门设计的超材料（具有自然界中没有的独特结构的合成材料）制成，这些透镜以非常规的方式与光相互作用，例如具有负折射率。在这样做时，他们利用原本难以捉摸的消逝波，放大它们，并允许对非常细微的细节进行成像。

当前的研究前沿

最近的研究由香港大学、伦敦帝国理工学院和加州大学伯克利分校等机构的团队合作，对超透镜的重大挑战之一：光学损失（optical loss），进行了研究。所谓光学损失就是一些光能并不能对图像分辨率有贡献，而是转化为热量。这类似于试图在光线昏暗的房间里看书——你可能会看个大概，但更精细的细节却无法理解。

Shuang Zhang教授和他的团队为这一困境提出了一个创新的解决方案。他们引入了合成复频率波（ synthetic complex frequency waves, CFW）的概念，以对抗叠加成像中的光学损失。其核心是，这个想法涉及同时振荡和放大的波。实际上，这种波可以为成像过程提供“提升(效果）”，抵消通常困扰超透镜工作的光学损失。

复频率是什么意思？波的频率是指它在时间上的振荡速度。将频率视为实数是很自然的。有趣的是，频率的概念可以扩展到复域（complex domain），其中频率的虚数部分也具有明确定义的物理意义，即波在时间上放大或衰减的速度。因此，对于复频率波，波的振荡和放大同时发生。

为了将这一理论转化为实践，该团队使用由双曲超材料（hyperbolic metamaterials）和偏振超材料（polariton metamaterials）制成的超透镜进行了实验，取得了令人印象深刻的成像结果。从本质上讲，他们表明，通过组合以各种实频率拍摄的图像，可以在复频率上构建更清晰、更高分辨率的图像。

这些进步的影响是深远的。超成像和超透镜具有彻底改变众多领域的潜力。生物学家可以前所未有的清晰度观察细胞结构。技术人员可能会更准确地检查纳米级组件。随着我们推动小型化的界限，在这些超细尺度上看到、理解和操纵的能力变得越来越重要。

论文：Fuxin Guan et al, Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency, Science (2023)