Ligesom supermans røntgenvision, nyt mikroskop afslører detaljer i nanoskala

Fysikere ved UC San Diego har udviklet en ny slags røntgenmikroskop, der kan trænge dybt ind i materialer som Supermans sagnomspundne røntgensyn og se små detaljer på skalaen af ​​en enkelt nanometer, eller en milliardtedel af en meter.

Men det er ikke alt. Hvad er usædvanligt ved denne nye, nanoskala, Røntgenmikroskop er, at billederne ikke er produceret af en linse, men ved hjælp af et kraftfuldt computerprogram.

Forskerne rapporterer i et papir offentliggjort i denne uges tidlige online-udgave af Procedurer fra National Academy of Sciences at dette computerprogram, eller algoritme, er i stand til at konvertere diffraktionsmønstrene produceret af røntgenstrålerne, der hopper af nanoskalastrukturerne, til opløselige billeder.

"Matematikken bag dette er noget kompliceret, " sagde Oleg Shpyrko, en assisterende professor i fysik ved UC San Diego, der stod i spidsen for forskerholdet. "Men det, vi gjorde, var at vise, at vi for første gang kan afbilde magnetiske domæner med nanometerpræcision. Med andre ord, vi kan se magnetisk struktur på nanoskala niveau uden at bruge nogen linser."

En umiddelbar anvendelse af dette linseløse røntgenmikroskop er udviklingen af ​​mindre, datalagringsenheder til computere, der kan rumme mere hukommelse.

"Dette vil hjælpe forskning i harddiske, hvor de magnetiske bits af data på overfladen af ​​disken i øjeblikket kun er 15 nanometer store, " sagde Eric Fullerton, en medforfatter af papiret og direktør for UC San Diego's Center for Magnetic Recording Research. "Denne nye evne til direkte at afbilde bitsene vil være uvurderlig, når vi presser på for at gemme endnu flere data i fremtiden."

Udviklingen bør også umiddelbart kunne anvendes på andre områder inden for nanovidenskab og nanoteknologi.

"For at fremme nanovidenskab og nanoteknologi, vi skal være i stand til at forstå, hvordan materialer opfører sig på nanoskala, " sagde Shpyrko. "Vi ønsker at være i stand til at lave materialer på en kontrolleret måde for at bygge magnetiske enheder til datalagring eller, i biologi eller kemi, at være i stand til at manipulere stof på nanoskala. Og for at gøre det skal vi kunne se på nanoskala. Denne teknik giver dig mulighed for at gøre det. Det giver dig mulighed for at se på materialer med røntgenstråler og se detaljer på nanoskalaen."

"Fordi der ikke er nogen linse i vejen, at sætte en voluminøs magnet rundt om prøven eller tilføje udstyr for at ændre prøvemiljøet på en anden måde under målingen er meget nemmere med denne metode, end hvis vi skulle bruge en linse, " tilføjede Shpyrko.

Ashish Tripathi, en kandidatstuderende i Shpyrkos laboratorium, udviklet algoritmen, der fungerede som røntgenmikroskopets linse. Det virkede, i princippet, lidt ligesom computerprogrammet, der gjorde Hubble-rumteleskopets oprindelige slørede billeder skarpere, som var forårsaget af en sfærisk aberration i teleskopets spejl, før teleskopet blev repareret i rummet. Et lignende koncept anvendes af astronomer, der arbejder i jordbaserede teleskoper, som bruger adaptiv optik, bevægelige spejle styret af computere, at fjerne forvrængningerne i deres billeder fra det blinkende stjernelys, der bevæger sig gennem atmosfæren.

Men teknikken Tripathi udviklede var helt ny. "Der var en masse simulering involveret i udviklingen; det var meget arbejde, " sagde Shpyrko.

For at teste deres mikroskops evne til at penetrere og opløse detaljer på nanoskala, fysikerne lavede en lagdelt film bestående af grundstofferne gadolinium og jern. Sådanne film studeres nu i informationsteknologiindustrien for at udvikle højere kapacitet, mindre, og hurtigere computerhukommelse og diskdrev.

"Begge er magnetiske materialer, og hvis du kombinerer dem i en struktur, viser det sig, at de spontant danner nanoskala magnetiske domæner, " Shpyrko. "De samler sig faktisk selv til magnetstriber."

Under røntgenmikroskopet, den lagdelte gadolinium- og jernfilm ligner en baklava-dessert, der krøller sig magnetisk sammen og danner en række magnetiske domæner, som fremstår som de gentagne hvirvler af højderyggene i fingeraftryk. At være i stand til at løse disse domæner på nanoskala for første gang er kritisk vigtigt for computeringeniører, der søger at proppe flere data ind i mindre og mindre harddiske.

Da materialer er lavet med mindre og mindre magnetiske domæner, eller tyndere og tyndere fingeraftryksmønstre, flere data kan lagres på et mindre rum i et materiale. "Måden vi er i stand til at gøre det på er at formindske størrelsen af ​​de magnetiske bits, "Sagde Shpyrko.

Teknikken bør også finde mange andre anvendelser uden for computerteknik.

"Ved at justere røntgenenergien, vi kan også bruge teknikken til at se på forskellige elementer i materialer, hvilket er meget vigtigt i kemi, " tilføjede han. "I biologi, det kan bruges til at afbilde virus, celler og forskellige slags væv med en rumlig opløsning, der er bedre end tilgængelig opløsning ved brug af synligt lys."

Forskerne brugte den avancerede fotonkilde, den mest strålende kilde til sammenhængende røntgenstråler på den vestlige halvkugle, ved University of Chicagos Argonne National Laboratory nær Chicago for at udføre deres forskningsprojekt, som blev finansieret af det amerikanske energiministerium. Ud over Tripathi, Shpyrko og Fullerton, en professor i elektro- og computerteknik ved UC San Diego, andre medforfattere af papiret omfatter UC San Diego fysik kandidatstuderende Jyoti Mohanty, Sebastian Dietze og Erik Shipton samt fysikerne Ian McNulty og SangSoo Kim ved Argonne National Laboratory.