Forskare vid Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Paul Scherrer -institutet i Schweiz och andra institutioner i Paris, Hamburg och Basel, har lyckats sätta nytt rekord i röntgenmikroskopi. Med förbättrade diffraktiva linser och mer exakt provplacering, de kunde uppnå rumslig upplösning i den ensiffriga nanometerskalan. Denna nya dimension inom direktavbildning kan ge betydande impulser för forskning om nanostrukturer och ytterligare främja utvecklingen av solceller och nya typer av magnetisk datalagring. Resultaten har nu publicerats i den berömda tidskriften Optica med titeln "Mjuk röntgenmikroskopi med 7 nm upplösning."

Mjuk röntgenmikroskopi, som använder röntgenstrålar med låg energi används för att undersöka egenskaperna hos material i nanoskala. Denna teknik kan användas för att bestämma strukturen på organiska filmer som spelar en viktig roll i utvecklingen av solceller och batterier. Det gör det också möjligt att observera kemiska processer eller katalytiska reaktioner av partiklar. Metoden tillåter undersökning av så kallad spinndynamik. Elektroner kan inte bara transportera elektrisk laddning, men har också en intern rotationsriktning, som kan användas för nya typer av magnetisk datalagring.

För att förbättra forskningen kring dessa processer i framtiden, forskare måste kunna 'zooma' in på den ensiffriga nanometerskalan. Detta är teoretiskt möjligt med mjuka röntgenstrålar, men hittills har det bara varit möjligt att uppnå rumslig upplösning på under 10 nanometer med hjälp av indirekta avbildningsmetoder som kräver efterföljande rekonstruktion. "För dynamiska processer som kemiska reaktioner eller magnetisk partikelinteraktion, vi måste kunna se strukturerna direkt, "förklarar prof. dr. Rainer Fink från ordföranden för fysikalisk kemi II vid FAU." Röntgenmikroskopi är särskilt lämplig för detta eftersom det kan användas mer flexibelt i magnetiska miljöer än elektronmikroskopi, till exempel."

Förbättrad fokusering och kalibrering

Arbetar med Paul Scherrer -institutet och andra institutioner i Paris, Hamburg, och Basel, forskarna har nu slagit ett nytt rekord i röntgenmikroskopi eftersom de har lyckats uppnå en rekordupplösning på 7 nanometer i flera olika experiment. Denna framgång bygger inte främst på kraftfullare röntgenkällor, men på att förbättra fokus på strålarna med hjälp av diffraktiva linser och mer exakt kalibrering av testproverna. "Vi optimerade strukturstorleken på Fresnel-zonplattorna som används för att fokusera röntgenstrålar, "förklarar Rainer Fink." Dessutom, vi kunde placera proverna i enheten med en mycket högre noggrannhet och återge denna noggrannhet. "Det är just denna begränsade positionering och stabiliteten i systemet som helhet som har förhindrat förbättringar av upplösningen i direktavbildning fram till nu.

Anmärkningsvärt, denna rekordupplösning uppnåddes inte bara med specialdesignade teststrukturer, men också i praktiska tillämpningar. Till exempel, forskarna studerade magnetfältets orientering av järnpartiklar som mäter 5 till 20 nanometer med sin nya optik. Professor Fink förklarar:"Vi antar att våra resultat kommer att driva forskning kring energimaterial och nanomagnetism i synnerhet. De relevanta strukturstorlekarna inom detta område ligger ofta under nuvarande upplösningsgränser."