Alla reagerar olika under stress – även de relativt ordnade atomerna i en kristall. Om forskare kunde få en tydlig bild av hur atomplan skiftar och kläms under stress, de skulle kunna använda dessa egenskaper för att tillhandahålla ny teknik, som nanoelektronik och nästa generations halvledarkomponenter, med extra hastighet eller funktioner. Dock, att skapa denna bild kräver nya tekniker för att avbilda atomer i material och deras beteende i olika miljöer.

I en nyligen genomförd samarbetsstudie från Institut Fresnel, IBM och det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, forskare utvecklade en ny form av bildbehandling som använder röntgendiffraktionsmönster, kallas envinklad Bragg-ptykografi.

Även om Bragg ptykografi och särskilt röntgendiffraktion har funnits ett tag, enkelvinkel Bragg-ptykografi möjliggör enklare rekonstruktion av 3D-data om hur töjning påverkar ett material.

Vid röntgendiffraktion, atomerna i ett material "sprider" den inkommande röntgenstrålningen, producerar en signal på en detektor. Eftersom det finns så många överlappande diffraktionshändelser som händer samtidigt, det kan vara svårt att identifiera bidraget från en viss liten del av gittret till den totala signalen. För att kompensera för detta, forskare använder en metod som kallas Fourieranalys, som i huvudsak omvandlar den totala signalen till en serie vågor med toppar och dalar som motsvarar de relativa intensiteterna för olika delar av signalen.

Dock, att bara göra vanlig röntgendiffraktion berättar bara en del av historien, sade huvudförfattaren och Argonne-materialforskaren Stephan Hruszkewycz. "För att verkligen se och förstå påfrestningen i det verkliga rummet, du behöver information om både intensitet och fas, " sa han. "Vad vi behövde var ett trick för att hämta de saknade faserna av diffraktionsmönstret."

Fas kan förstås genom att föreställa sig vågor som slår mot stranden efter att någon kastat en handfull stenar i en stilla damm. Att mäta höjden på vågorna vid stranden samt deras ankomsttid kan göra det möjligt för dig att "se vågen bakåt" genom att rekonstruera positionerna och storlekarna på alla stenar när de träffar vattnet. Röntgendetektorer, dock, mät bara vågornas höjd; faser, dvs när vågen når stranden, måste återvinnas på annat sätt.

Knepet författarna använde kommer från ptychografi, en teknik som kan återställa fasinformation genom att använda redundant sampling från samma region av kristallen. Genom att endast förskjuta röntgenstrålen något, och genom att avbilda så mycket som 60 procent av samma verkliga utrymme mellan strålpositioner, teamet kunde hämta information om fasen.

"I huvudsak, genom att ha mycket av samma information kodad i närliggande prover, det begränsar de möjliga konfigurationerna av kristallen i det verkliga rummet, " sa Hruszkewycz.

Det verkliga framsteg, dock, kom inte från information som samlats in genom diffraktion, men från placeringen av själva strålen. Eftersom forskarna visste exakt var strålen var placerad och i vilken vinkel kristallens atomplan skulle sprida röntgenstrålarna, de kunde extrahera ytterligare information om hur belastningen påverkade materialet i tre dimensioner.

"De flesta diffraktionstekniker, inklusive några ptykografiska, ger egentligen bara en 2D-representation av provet av intresse, "Hruszkewycz sa. "Denna teknik ställer också färre krav på instrumenttekniken än jämförbara tekniker för att generera 3D-information om material."

En artikel baserad på studien, "Högupplöst tredimensionell strukturell mikroskopi med envinkel Bragg-ptykografi, " dök upp i november i onlineupplagan av Naturmaterial .