Dat blijkt uit een nieuwe studie gepubliceerd in Optica hebben onderzoekers van de Universiteit van Colorado Boulder donutvormige lichtbundels gebruikt om gedetailleerde beelden te maken van objecten die te klein zijn om met traditionele microscopen te bekijken.

De nieuwe techniek zou wetenschappers kunnen helpen de interne werking van een reeks ‘nano-elektronica’ te verbeteren, waaronder de miniatuurhalfgeleiders in computerchips. De ontdekking werd ook benadrukt in een speciale uitgave van Optics &Photonics News.

Het onderzoek is de nieuwste vooruitgang op het gebied van ptychografie, een moeilijk uit te spreken (de "p" is stil) maar krachtige techniek om heel kleine dingen te bekijken. In tegenstelling tot traditionele microscopen kunnen ptychografiehulpmiddelen kleine objecten niet rechtstreeks bekijken. In plaats daarvan schijnen ze met lasers op een doel en meten vervolgens hoe het licht zich verstrooit – een beetje zoals het microscopische equivalent van het maken van schaduwpoppen op een muur.

Tot nu toe heeft de aanpak opmerkelijk goed gewerkt, op één grote uitzondering na, zegt Margaret Murnane, senior auteur en hoogleraar natuurkunde.

"Tot voor kort faalde het volledig voor zeer periodieke monsters of objecten met een regelmatig herhalend patroon", zegt Murnane, een fellow bij JILA, een gezamenlijk onderzoeksinstituut van CU Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST). "Het is een probleem omdat daar veel nano-elektronica onder valt."

Ze merkte op dat veel belangrijke technologieën, zoals sommige halfgeleiders, bestaan ​​uit atomen zoals silicium of koolstof die in regelmatige patronen met elkaar zijn verbonden, zoals een rooster of gaas. Tot nu toe zijn deze structuren lastig gebleken voor wetenschappers om van dichtbij te bekijken met behulp van ptychografie.

In de nieuwe studie bedachten Murnane en haar collega's echter een oplossing. In plaats van traditionele lasers in hun microscopen te gebruiken, produceerden ze bundels extreem ultraviolet licht in de vorm van donuts.

De nieuwe aanpak van het team kan nauwkeurige beelden verzamelen van kleine en delicate structuren die ongeveer 10 tot 100 nanometer groot zijn of vele malen kleiner dan een miljoenste van een inch. In de toekomst verwachten de onderzoekers in te zoomen om nog kleinere structuren te kunnen zien. De donut- of optische impulsmomentstralen zullen daarbij ook de kleine elektronica niet beschadigen, zoals sommige bestaande beeldvormingshulpmiddelen, zoals elektronenmicroscopen, soms wel kunnen.

"In de toekomst zou deze methode kunnen worden gebruikt om de polymeren die worden gebruikt om halfgeleiders te maken en te printen, te inspecteren op defecten, zonder daarbij die structuren te beschadigen", aldus Murnane.

De grenzen van microscopen verleggen

Het onderzoek, aldus Murnane, verlegt de fundamentele grenzen van microscopen:vanwege de fysica van licht kunnen beeldvormingshulpmiddelen die lenzen gebruiken de wereld slechts zien tot een resolutie van ongeveer 200 nanometer – wat niet nauwkeurig genoeg is om veel van de virussen te vangen. die bijvoorbeeld mensen infecteren. Wetenschappers kunnen virussen bevriezen en doden om ze te bekijken met krachtige cryo-elektronenmicroscopen, maar kunnen deze ziekteverwekkers nog niet in actie en in realtime vastleggen.

Ptychografie, een pionier in het midden van de jaren 2000, zou onderzoekers kunnen helpen die grens te overschrijden.

Om te begrijpen hoe, ga terug naar die schaduwpoppen. Stel je voor dat wetenschappers een ptychografisch beeld willen verzamelen van een heel kleine structuur, misschien letters waarin 'CU' wordt gespeld. Om dat te doen, zappen ze eerst een laserstraal naar de letters en scannen ze meerdere keren. Wanneer het licht de "C" en de "U" raakt (in dit geval de poppen), zal de straal uit elkaar vallen en zich verspreiden, waardoor een complex patroon ontstaat (de schaduwen). Met behulp van gevoelige detectoren registreren wetenschappers deze patronen en analyseren ze vervolgens met een reeks wiskundige vergelijkingen. Met voldoende tijd, legde Murnane uit, bootsen ze de vorm van hun poppen volledig na op basis van de schaduwen die ze werpen.

"In plaats van een lens te gebruiken om het beeld op te halen, gebruiken we algoritmen", zei Murnane.

Zij en haar collega's hebben eerder een dergelijke aanpak gebruikt om submicroscopische vormen zoals letters of sterren te bekijken.

Maar de aanpak zal niet werken met zich herhalende structuren zoals die silicium- of koolstofroosters. Als je bijvoorbeeld met zo'n regelmaat een gewone laserstraal op een halfgeleider laat schijnen, ontstaat er vaak een verstrooiingspatroon dat ongelooflijk uniform is. Ptychografische algoritmen hebben moeite om patronen te begrijpen die niet veel variatie bevatten.

Het probleem heeft natuurkundigen al bijna tien jaar achter het hoofd zitten krabben.

Donutmicroscopie

In het nieuwe onderzoek besloten Murnane en haar collega's echter iets anders te proberen. Ze maakten hun schaduwpoppen niet met gewone lasers. In plaats daarvan genereerden ze bundels van extreem ultraviolet licht en gebruikten vervolgens een apparaat genaamd een spiraalvormige faseplaat om die bundels in de vorm van een kurkentrekker of vortex te draaien. (Als zo’n draaikolk van licht op een plat oppervlak schijnt, heeft het de vorm van een donut.)

De donutbalken hadden geen roze glazuur of hagelslag, maar ze deden het wel. Het team ontdekte dat wanneer dit soort stralen terugkaatsten op zich herhalende structuren, ze veel complexere schaduwpoppen creëerden dan gewone lasers.

Om de nieuwe aanpak te testen, creëerden de onderzoekers een netwerk van koolstofatomen met een klein knikje in een van de schakels. De groep kon dat defect ontdekken met een precisie die niet in andere ptychografische gereedschappen te zien is.

"Als je hetzelfde zou proberen af ​​te beelden met een scanning-elektronenmicroscoop, zou je het nog verder beschadigen", zei Murnane.

In de toekomst wil haar team hun donutstrategie nog nauwkeuriger maken, waardoor ze kleinere en nog kwetsbaardere objecten kunnen bekijken, waaronder op een dag de werking van levende, biologische cellen.

Meer informatie: Bin Wang et al., Hoogwaardige ptychografische beeldvorming van zeer periodieke structuren mogelijk gemaakt door hoogharmonische vortexbundels, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.498619

Journaalinformatie: Optica

Aangeboden door de Universiteit van Colorado in Boulder