In recente jaren, X-ray ptychografie heeft een revolutie teweeggebracht in fasecontrastbeeldvorming op nanoschaal bij grootschalige synchrotronbronnen. De techniek produceert kwantitatieve fasebeelden met de hoogst mogelijke ruimtelijke resoluties (10 nm) – die veel verder gaan dan de conventionele beperkingen van de beschikbare röntgenoptiek – en heeft brede toepassingen in de natuurkunde en biowetenschappen. Een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 12 mei 2021, onthult dat een internationale samenwerking van wetenschappers voor het eerst heeft aangetoond hoe de techniek van fasecontrastdiffractiebeeldvorming met hoge resolutie kan worden uitgevoerd met kleinschalige laboratoriumbronnen.

Het team van Diamond Light Source, Universiteit Gent, Universiteit van Sheffield, en University College London voerden een experiment uit met een compacte vloeibare metaalstraal (LMJ) röntgenbron. Röntgenbronnen in laboratoria hebben aanzienlijk lagere helderheidsniveaus, maar bieden momenteel de gebruikersgemeenschap van röntgensynchrotron toegang tot micro-CT, waar ze veel ervaring kunnen opdoen en voorlopige gegevens kunnen produceren, bij hun thuisinstellingen. Tot nu, zo'n equivalent bestond niet voor beeldvorming op nanoschaal door middel van coherente diffractiebeeldvorming en ptychografie. De paper van het team schetst een dergelijk experiment en het eerste proof-of-concept voor far-field X-ray ptychografie uitgevoerd met behulp van een röntgenlaboratoriumbron.

Groepsleider Diamantwetenschappen, Paul Quinn merkt op:"We hebben het voortouw genomen in de ontwikkelingen op het gebied van ptychografie om deze techniek open te stellen voor nieuwe wetenschappelijke gebieden en gemeenschappen. Het bouwt voort op het werk dat we gedurende vele jaren hebben gedaan en, op langere termijn heeft deze benadering met name echt potentieel om beeldvorming met een hogere resolutie te bieden aan laboratoriumbronfaciliteiten."

De hoofdauteur, Darren Batey, Beamline-wetenschapper op de I13-1 Coherence Beamline bij Diamond legt de betrokkenheid van Diamond bij dit werk uit:"Het succes van het project was sterk afhankelijk van de ervaring en kennis die we in de loop der jaren bij de synchrotron hebben verzameld. Het resultaat van ons meest recente werk maakt voorbereidende studies mogelijk te maken aan universiteiten, het vergroten van de toestroom van interessante wetenschap naar onze faciliteit. Een laboratoriumbronfaciliteit zoals die we hebben gedemonstreerd met onze medewerkers, zal de mogelijkheden bij Diamond en andere bronnen aanvullen."

Toevoegen:"Gezien de wereldwijde inspanningen om compacte lichtbronnen te ontwikkelen, deze experimentele doorbraak komt op het juiste moment en heeft het potentieel om te worden toegepast op een hele reeks compacte lichtbronconfiguraties. Het werk ontsluit de analytische kracht van ptychografie voor de bredere wetenschappelijke gemeenschap en zal de ontwikkeling van geavanceerde coherente diffractiebeeldvormingsmethoden bevorderen. Het werk met onze medewerkers zorgt ervoor dat we op de hoogte blijven van nieuwe technologie en ontwikkelingen die de efficiëntie van experimenten op Synchrotron-faciliteiten kunnen verbeteren."

De gegevens werden verzameld in het Soft Matter Analytical Laboratory (SMALL) van de University of Sheffield met het draagbare ptychografie-eindstation van I13-1 van Diamond Light Source en een hyperspectrale detector van de Universiteit Gent. De röntgenbron is een Excillum vloeibare galliummetaalstraal (LMJ), die een helderheid heeft die een orde van grootte hoger is dan conventionele microfocusbronnen.

"De resolutie die in dit eerste experiment wordt bereikt, is vergelijkbaar met andere fasecontrasttechnieken in het laboratorium, zoals in-line fasecontrast en randverlichting. De experimentele doorbraak die met een LMJ is bereikt, is een eerste stap in de richting van het uitbreiden van röntgenptychografie naar andere heldere compacte lichtbronnen:van inverse Compton-verstrooiing, tot op laserplasma gebaseerde en compacte opbergringen, ' zegt Darren Batey.