Fysiker vid UC San Diego har utvecklat en ny typ av röntgenmikroskop som kan penetrera djupt i material som Stålmannens mytomspunna röntgensyn och se små detaljer i skalan av en enda nanometer, eller en miljarddels meter.
Men det är inte allt. Vad är ovanligt med denna nya, nanoskala, Röntgenmikroskop är att bilderna inte produceras av en lins, men med hjälp av ett kraftfullt datorprogram.
Forskarna rapporterar i en artikel som publicerades i veckans tidiga onlineupplaga av Proceedings of the National Academy of Sciences att detta datorprogram, eller algoritm, kan omvandla diffraktionsmönstren som produceras av röntgenstrålar som studsar mot strukturerna i nanoskala till upplösbara bilder.
"Matematiken bakom detta är något komplicerad, " sa Oleg Shpyrko, en biträdande professor i fysik vid UC San Diego som ledde forskargruppen. "Men vad vi gjorde är att visa att vi för första gången kan avbilda magnetiska domäner med nanometerprecision. Med andra ord, vi kan se magnetisk struktur på nanoskalanivå utan att använda några linser."
En omedelbar tillämpning av detta linslösa röntgenmikroskop är utvecklingen av mindre, datalagringsenheter för datorer som kan rymma mer minne.
"Detta kommer att underlätta forskning i hårddiskar där de magnetiska databitarna på skivans yta för närvarande bara är 15 nanometer stora, sa Eric Fullerton, en medförfattare till tidningen och chef för UC San Diegos Center for Magnetic Recording Research. "Denna nya förmåga att direkt avbilda bitarna kommer att vara ovärderlig när vi strävar efter att lagra ännu mer data i framtiden."
Utvecklingen bör även omedelbart tillämpas på andra områden inom nanovetenskap och nanoteknik.
"För att främja nanovetenskap och nanoteknik, vi måste kunna förstå hur material beter sig på nanoskala, " sa Shpyrko. "Vi vill kunna tillverka material på ett kontrollerat sätt för att bygga magnetiska enheter för datalagring eller, i biologi eller kemi, för att kunna manipulera materia i nanoskala. Och för att göra det måste vi kunna se i nanoskala. Denna teknik låter dig göra det. Det låter dig titta på material med röntgenstrålar och se detaljer i nanoskala."
"Eftersom det inte finns någon lins i vägen, att sätta en skrymmande magnet runt provet eller lägga till utrustning för att ändra provmiljön på annat sätt under mätningen är mycket lättare med den här metoden än om vi var tvungna att använda en lins, " tillade Shpyrko.
Ashish Tripathi, en doktorand i Shpyrkos labb, utvecklade algoritmen som fungerade som röntgenmikroskopets lins. Det fungerade, i princip, ungefär som datorprogrammet som skärpte Hubble Space Telescopes initialt suddiga bilder, som orsakades av en sfärisk aberration i teleskopets spegel innan teleskopet reparerades i rymden. Ett liknande koncept används av astronomer som arbetar i markbaserade teleskop som använder adaptiv optik, rörliga speglar som styrs av datorer, att ta bort förvrängningarna i deras bilder från det glittrande stjärnljuset som rör sig genom atmosfären.
Men den teknik som Tripathi utvecklade var helt ny. "Det var mycket simulering involverat i utvecklingen; det var mycket arbete, sa Shpyrko.
För att testa deras mikroskops förmåga att penetrera och lösa detaljer i nanoskala, fysikerna gjorde en skiktad film bestående av elementen gadolinium och järn. Sådana filmer studeras nu inom informationsteknologibranschen för att utveckla högre kapacitet, mindre, och snabbare datorminne och hårddiskar.
"Båda är magnetiska material och om du kombinerar dem i en struktur visar det sig att de spontant bildar magnetiska domäner i nanoskala, Shpyrko. "De sätter sig faktiskt ihop till magnetiska ränder."
Under röntgenmikroskopet, den skiktade gadolinium- och järnfilmen ser ut ungefär som baklava-dessert som krymper ihop sig magnetiskt för att bilda en serie magnetiska domäner, som ser ut som åsarnas återkommande virvlar i fingeravtryck. Att kunna lösa dessa domäner i nanoskala för första gången är avgörande för datoringenjörer som vill stoppa in mer data i mindre och mindre hårddiskar.
Eftersom material tillverkas med mindre och mindre magnetiska domäner, eller tunnare och tunnare fingeravtrycksmönster, mer data kan lagras på ett mindre utrymme i ett material. "Sättet vi kan göra det är att krympa storleken på de magnetiska bitarna, " sa Shpyrko.
Tekniken bör hitta många andra användningsområden även utanför datorteknik.
"Genom att ställa in röntgenenergin, vi kan också använda tekniken för att titta på olika element i material, vilket är mycket viktigt i kemi, " tillade han. "Inom biologi, det kan användas för att avbilda virus, celler och olika typer av vävnader med en rumslig upplösning som är bättre än upplösning tillgänglig med synligt ljus."
Forskarna använde Advanced Photon Source, den mest lysande källan till sammanhängande röntgenstrålar på västra halvklotet, vid University of Chicagos Argonne National Laboratory nära Chicago för att genomföra sitt forskningsprojekt, som finansierades av det amerikanska energidepartementet. Förutom Tripathi, Shpyrko och Fullerton, en professor i el- och datateknik vid UC San Diego, andra medförfattare till uppsatsen inkluderar UC San Diego fysikstudenter Jyoti Mohanty, Sebastian Dietze och Erik Shipton samt fysikerna Ian McNulty och SangSoo Kim vid Argonne National Laboratory.
