I en ny studie publicerad i Optica , har forskare vid University of Colorado Boulder använt munkformade ljusstrålar för att ta detaljerade bilder av föremål som är för små att se med traditionella mikroskop.
Den nya tekniken kan hjälpa forskare att förbättra det inre funktionen hos en rad "nanoelektronik", inklusive miniatyrhalvledare i datorchips. Upptäckten lyftes också fram i ett specialnummer av Optics &Photonics News.
Forskningen är det senaste framstegen inom ptykografiområdet, en svåruttalad ("p" är tyst) men kraftfull teknik för att se mycket små saker. Till skillnad från traditionella mikroskop ser ptychografiverktyg inte direkt på små föremål. Istället lyser de med lasrar mot ett mål och mäter sedan hur ljuset sprids – lite som den mikroskopiska motsvarigheten till att göra skuggdockor på en vägg.
Hittills har tillvägagångssättet fungerat anmärkningsvärt bra, med ett stort undantag, sade studieförfattaren och framstående professor i fysik Margaret Murnane.
"Tills nyligen har det helt misslyckats för mycket periodiska prover eller föremål med ett regelbundet upprepande mönster", säger Murnane, en stipendiat vid JILA, ett gemensamt forskningsinstitut för CU Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST). "Det är ett problem eftersom det inkluderar mycket nanoelektronik."
Hon noterade att många viktiga teknologier, som vissa halvledare, består av atomer som kisel eller kol som är sammanfogade i regelbundna mönster som ett rutnät eller nät. Hittills har dessa strukturer visat sig vara svåra för forskare att se på nära håll med hjälp av ptychografi.
I den nya studien utarbetade Murnane och hennes kollegor en lösning. Istället för att använda traditionella lasrar i sina mikroskop producerade de strålar av extremt ultraviolett ljus i form av munkar.
Teamets nya tillvägagångssätt kan samla in exakta bilder av små och ömtåliga strukturer som är ungefär 10 till 100 nanometer i storlek eller många gånger mindre än en miljondels tum. I framtiden räknar forskarna med att zooma in för att se ännu mindre strukturer. Munkstrålar, eller optisk vinkelmomentum, kommer inte heller att skada den lilla elektroniken i processen – vilket vissa befintliga bildverktyg, som elektronmikroskop, ibland kan.
"I framtiden kan den här metoden användas för att inspektera polymererna som används för att tillverka och skriva ut halvledare för defekter utan att skada dessa strukturer i processen," sa Murnane.
Forskningen, sa Murnane, tänjer på de grundläggande gränserna för mikroskop:På grund av ljusets fysik kan bildverktyg som använder linser bara se världen ner till en upplösning på cirka 200 nanometer - vilket inte är tillräckligt exakt för att fånga många av virusen till exempel som infekterar människor. Forskare kan frysa och döda virus för att se dem med kraftfulla kryoelektronmikroskop, men kan ännu inte fånga dessa patogener i aktion och i realtid.
Ptychography, som var banbrytande i mitten av 2000-talet, skulle kunna hjälpa forskare att passera den gränsen.
För att förstå hur, gå tillbaka till dessa skuggdockor. Föreställ dig att forskare vill samla en ptykografisk bild av en mycket liten struktur, kanske bokstäver som stavar "CU". För att göra det zappar de först en laserstråle mot bokstäverna och skannade dem flera gånger. När ljuset träffar "C" och "U" (i det här fallet dockorna), kommer strålen att bryta isär och spridas, vilket ger ett komplext mönster (skuggorna). Med hjälp av känsliga detektorer registrerar forskare dessa mönster och analyserar dem sedan med en serie matematiska ekvationer. Med tillräckligt med tid, förklarade Murnane, återskapar de formen på sina dockor helt och hållet från skuggorna de kastar.
"Istället för att använda en lins för att hämta bilden använder vi algoritmer," sa Murnane.
Hon och hennes kollegor har tidigare använt ett sådant tillvägagångssätt för att se submikroskopiska former som bokstäver eller stjärnor.
Men tillvägagångssättet fungerar inte med återkommande strukturer som kisel- eller kolnät. Om du till exempel lyser en vanlig laserstråle på en halvledare med sådan regelbundenhet, kommer den ofta att producera ett spridningsmönster som är otroligt enhetligt – ptykografiska algoritmer kämpar för att förstå mönster som inte har så stor variation i dem.
Problemet har fått fysiker att klia sig i huvudet i nästan ett decennium.
I den nya studien bestämde sig Murnane och hennes kollegor för att prova något annat. De gjorde inte sina skuggdockor med vanliga laser. Istället genererade de strålar av extremt ultraviolett ljus, och använde sedan en anordning som kallas en spiralfasplatta för att vrida dessa strålar till formen av en korkskruv eller virvel. (När en sådan virvel av ljus lyser på en plan yta får den en form som en munk.)
Munkbalkarna hade inte rosa glasyr eller strössel, men de gjorde susen. Teamet upptäckte att när dessa typer av strålar studsade mot upprepade strukturer skapade de mycket mer komplexa skuggdockor än vanliga lasrar.
För att testa den nya metoden skapade forskarna ett nät av kolatomer med en liten knäppning i en av länkarna. Gruppen kunde upptäcka den defekten med precision som inte sågs i andra ptykografiska verktyg.
"Om du försökte avbilda samma sak i ett svepelektronmikroskop, skulle du skada det ytterligare," sa Murnane.
Framåt vill hennes team göra sin munkstrategi ännu mer exakt, så att de kan se mindre och ännu ömtåligare föremål – inklusive, en dag, hur levande, biologiska celler fungerar.
Mer information: Bin Wang et al, ptychografisk avbildning med hög trohet av mycket periodiska strukturer som möjliggörs av virvelstrålar med höga övertoner, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.498619
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av University of Colorado i Boulder
