Bilder ger information - det vi kan observera med våra egna ögon gör det möjligt för oss att förstå. Att ständigt utöka perceptionsfältet till dimensioner som initialt är dolda för blotta ögat, driver vetenskapen framåt. I dag, allt kraftfullare mikroskop låter oss se in i celler och vävnader hos levande organismer, in i mikroorganismernas värld såväl som i den livlösa naturen.

Men även de bästa mikroskopen har sina gränser. "För att kunna observera strukturer och processer ner till nanoskalanivå och under, vi behöver nya metoder och teknologier, " säger Dr. Silvio Fuchs från Institute of Optics and Quantum Electronics vid University of Jena. Detta gäller i synnerhet för tekniska områden som materialforskning eller databehandling. elektroniska komponenter, datorchips eller kretsar blir allt mindre, ", tillägger Fuchs. Tillsammans med kollegor, han har nu utvecklat en metod som gör det möjligt att visa och studera så små, komplexa strukturer och till och med "se inuti" dem utan att förstöra dem. I det aktuella numret av den vetenskapliga tidskriften Optica , forskarna presenterar sin metod – Coherence Tomography with Extreme Ultraviolet Light (XCT förkortat) – och visar dess potential inom forskning och tillämpning.

Ljus penetrerar provet och reflekteras av inre strukturer

Avbildningsproceduren är baserad på optisk koherenstomografi (OCT), som har etablerats inom oftalmologi i ett antal år, förklarar doktoranden Felix Wiesner, huvudförfattaren till studien. "Dessa enheter har utvecklats för att undersöka ögats näthinna icke-invasivt, lager på lager, att skapa 3-dimensionella bilder." Hos ögonläkaren, OCT använder infrarött ljus för att belysa näthinnan. Strålningen väljs på ett sådant sätt att vävnaden som ska undersökas inte absorberar den för starkt och den kan reflekteras av de inre strukturerna. Dock, fysikerna i Jena använder extremt kortvågigt UV-ljus istället för långvågigt infrarött ljus för deras oktober. "Detta beror på storleken på strukturerna vi vill avbilda, " säger Felix Wiesner. För att undersöka halvledarmaterial med strukturstorlekar på bara några nanometer, ljus med en våglängd på bara några nanometer behövs.

Icke-linjär optisk effekt genererar koherent extremt kortvågigt UV-ljus

Att generera sådant extremt kortvågigt UV-ljus (XUV) var tidigare en utmaning och var nästan bara möjligt i storskaliga forskningsanläggningar. Jena fysiker, dock, generera bredbands-XUV i ett vanligt laboratorium och använda så kallade höga övertoner för detta ändamål. Detta är strålning som produceras genom interaktionen av laserljus med ett medium och den har en frekvens som är många gånger högre än det ursprungliga ljuset. Ju högre harmonisk ordning, desto kortare blir den resulterande våglängden. "På det här sättet, vi genererar ljus med en våglängd på mellan 10 och 80 nanometer med infraröda lasrar, " förklarar prof. Gerhard Paulus, Professor i icke-linjär optik vid universitetet i Jena. "Som det bestrålade laserljuset, det resulterande bredbandiga XUV-ljuset är också koherent, vilket betyder att den har laserliknande egenskaper."

I det arbete som beskrivs i deras nuvarande tidning, fysikerna exponerade nanoskopiska lagerstrukturer i kisel för den koherenta XUV-strålningen och analyserade det reflekterade ljuset. Kiselproverna innehöll tunna lager av andra metaller, som titan eller silver, på olika djup. Eftersom dessa material har andra reflekterande egenskaper än kisel, de kan detekteras i den reflekterade strålningen. Metoden är så exakt att den djupa strukturen hos de små proverna inte bara kan visas med nanometer noggrannhet, men – på grund av det olika reflekterande beteendet – kan den kemiska sammansättningen av proverna också bestämmas exakt och, framför allt, på ett oförstörande sätt. "Detta gör koherenstomografi till en intressant applikation för att inspektera halvledare, solceller eller optiska flerskiktskomponenter, " säger Paulus. Den skulle kunna användas för kvalitetskontroll i tillverkningsprocessen av sådana nanomaterial, för att upptäcka inre defekter eller kemiska föroreningar.