Donutbjælker hjælper fysikere med at se utroligt små genstande

I en ny undersøgelse offentliggjort i Optica , har forskere ved University of Colorado Boulder brugt doughnut-formede lysstråler til at tage detaljerede billeder af objekter, der er for små til at se med traditionelle mikroskoper.

Den nye teknik kan hjælpe videnskabsmænd med at forbedre den indre funktion af en række "nanoelektronik", herunder miniature-halvledere i computerchips. Opdagelsen blev også fremhævet i et særligt nummer af Optics &Photonics News.

Forskningen er det seneste fremskridt inden for ptychografi, en svær at udtale ("p"et er tavs), men kraftfuld teknik til at se meget små ting. I modsætning til traditionelle mikroskoper ser ptychografiværktøjer ikke direkte små objekter. I stedet lyser de med lasere mod et mål og måler derefter, hvordan lyset spredes væk – lidt ligesom det mikroskopiske svar til at lave skyggedukker på en væg.

Indtil videre har tilgangen fungeret bemærkelsesværdigt godt, med en stor undtagelse, sagde seniorforfatter og en fremtrædende professor i fysik Margaret Murnane i undersøgelsen.

"Indtil for nylig har det fejlet fuldstændigt for meget periodiske prøver eller genstande med et regelmæssigt gentagne mønster," sagde Murnane, en stipendiat ved JILA, et fælles forskningsinstitut for CU Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST). "Det er et problem, fordi det omfatter en masse nanoelektronik."

Hun bemærkede, at mange vigtige teknologier, som nogle halvledere, består af atomer som silicium eller kulstof, der er forbundet i regelmæssige mønstre som et gitter eller et net. Til dato har disse strukturer vist sig vanskelige for videnskabsmænd at se tæt på ved hjælp af ptychografi.

I den nye undersøgelse udtænkte Murnane og hendes kolleger dog en løsning. I stedet for at bruge traditionelle lasere i deres mikroskoper producerede de stråler af ekstremt ultraviolet lys i form af doughnuts.

Holdets nye tilgang kan indsamle nøjagtige billeder af små og sarte strukturer, der er omkring 10 til 100 nanometer i størrelse eller mange gange mindre end en milliontedel af en tomme. I fremtiden forventer forskerne at zoome ind for at se endnu mindre strukturer. Doughnut-strålerne, eller optiske vinkelmomentum, vil heller ikke skade den lille elektronik i processen – som nogle eksisterende billedværktøjer, såsom elektronmikroskoper, nogle gange kan.

"I fremtiden kan denne metode bruges til at inspicere de polymerer, der bruges til at fremstille og printe halvledere for defekter uden at beskadige disse strukturer i processen," sagde Murnane.

Vi skubber grænserne for mikroskoper

Forskningen, sagde Murnane, skubber de grundlæggende grænser for mikroskoper:På grund af lysets fysik kan billedværktøjer, der bruger linser, kun se verden ned til en opløsning på omkring 200 nanometer - hvilket ikke er nøjagtigt nok til at fange mange af vira for eksempel, der smitter mennesker. Forskere kan fryse og dræbe vira for at se dem med kraftige kryo-elektronmikroskoper, men kan endnu ikke fange disse patogener i aktion og i realtid.

Ptychografi, som blev banebrydende i midten af ​​2000'erne, kunne hjælpe forskere med at rykke forbi denne grænse.

For at forstå hvordan, gå tilbage til disse skyggedukker. Forestil dig, at videnskabsmænd ønsker at samle et ptykografisk billede af en meget lille struktur, måske bogstaver, der staver "CU". For at gøre det zapper de først en laserstråle mod bogstaverne og scanner dem flere gange. Når lyset rammer "C" og "U" (i dette tilfælde dukkerne), vil strålen bryde fra hinanden og spredes, hvilket producerer et komplekst mønster (skyggerne). Ved at bruge følsomme detektorer registrerer videnskabsmænd disse mønstre og analyserer dem derefter med en række matematiske ligninger. Med tilstrækkelig tid, forklarede Murnane, genskaber de formen på deres dukker helt ud fra de skygger, de kaster.

"I stedet for at bruge en linse til at hente billedet, bruger vi algoritmer," sagde Murnane.

Hun og hendes kolleger har tidligere brugt en sådan tilgang til at se submikroskopiske former som bogstaver eller stjerner.

Men tilgangen vil ikke fungere med gentagne strukturer som disse silicium- eller kulstofgitter. Hvis du f.eks. lyser en almindelig laserstråle på en halvleder med en sådan regelmæssighed, vil den ofte producere et spredningsmønster, der er utroligt ensartet - ptykografiske algoritmer kæmper for at forstå mønstre, der ikke har meget variation i sig.

Problemet har fået fysikere til at klø sig i hovedet i tæt på et årti.

Doughnut-mikroskopi

I den nye undersøgelse besluttede Murnane og hendes kolleger dog at prøve noget andet. De lavede ikke deres skyggedukker ved hjælp af almindelige lasere. I stedet genererede de stråler af ekstremt ultraviolet lys og brugte derefter en enhed kaldet en spiralfaseplade til at vride disse stråler i form af en proptrækker eller hvirvel. (Når sådan en hvirvel af lys skinner på en flad overflade, danner den en form som en doughnut.)

Doughnutbjælkerne havde ikke lyserød glasur eller drys, men de gjorde tricket. Holdet opdagede, at når disse typer stråler hoppede af gentagne strukturer, skabte de meget mere komplekse skyggedukker end almindelige lasere.

For at teste den nye tilgang, skabte forskerne et net af kulstofatomer med et lille klik i et af linkene. Gruppen var i stand til at opdage den defekt med præcision, som ikke ses i andre ptykografiske værktøjer.

"Hvis du prøvede at afbilde det samme i et scanningselektronmikroskop, ville du beskadige det endnu mere," sagde Murnane.

Fremadrettet ønsker hendes team at gøre deres doughnut-strategi endnu mere præcis, så de kan se mindre og endnu mere skrøbelige genstande – inklusive, en dag, hvordan levende, biologiske celler fungerer.

Flere oplysninger: Bin Wang et al., High-fidelity ptykografisk billeddannelse af meget periodiske strukturer muliggjort af vortex højharmoniske stråler, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.498619

Journaloplysninger: Optica

Leveret af University of Colorado at Boulder