Natuurkundigen van UC San Diego hebben een nieuw soort röntgenmicroscoop ontwikkeld die diep kan doordringen in materialen zoals het legendarische röntgenzicht van Superman en minuscule details kan zien op de schaal van een enkele nanometer, of een miljardste van een meter.

Maar dat is niet alles. Wat is er ongebruikelijk aan deze nieuwe, nanoschaal, Röntgenmicroscoop is dat de beelden niet door een lens worden geproduceerd, maar door middel van een krachtig computerprogramma.

De wetenschappers rapporteren in een paper gepubliceerd in de vroege online editie van deze week van de Proceedings van de National Academy of Sciences dat dit computerprogramma, of algoritme, is in staat om de diffractiepatronen die worden geproduceerd door de röntgenstralen die weerkaatsen van de nanoschaalstructuren om te zetten in oplosbare beelden.

"De wiskunde hierachter is enigszins gecompliceerd, " zei Oleg Shpyrko, een assistent-professor natuurkunde aan UC San Diego die het onderzoeksteam leidde. "Maar wat we hebben gedaan, is laten zien dat we voor het eerst magnetische domeinen kunnen afbeelden met nanometerprecisie. Met andere woorden, we kunnen magnetische structuur op nanoschaal zien zonder lenzen te gebruiken."

Een directe toepassing van deze lensloze röntgenmicroscoop is de ontwikkeling van kleinere, gegevensopslagapparaten voor computers die meer geheugen kunnen bevatten.

"Dit zal helpen bij het onderzoek naar harde schijven waar de magnetische gegevensbits op het oppervlak van de schijf momenteel slechts 15 nanometer groot zijn, " zei Eric Fullerton, een co-auteur van het papier en directeur van UC San Diego's Center for Magnetic Recording Research. "Deze nieuwe mogelijkheid om de bits direct in beeld te brengen, zal van onschatbare waarde zijn als we ons inspannen om in de toekomst nog meer gegevens op te slaan."

De ontwikkeling moet ook direct toepasbaar zijn op andere gebieden van nanowetenschap en nanotechnologie.

"Om nanowetenschap en nanotechnologie vooruit te helpen, we moeten kunnen begrijpen hoe materialen zich op nanoschaal gedragen, " zei Shpyrko. "We willen op een gecontroleerde manier materialen kunnen maken om magnetische apparaten te bouwen voor gegevensopslag of, in biologie of scheikunde, om materie op nanoschaal te kunnen manipuleren. En daarvoor moeten we op nanoschaal kunnen zien. Met deze techniek kun je dat doen. Het stelt je in staat om met röntgenstraling in materialen te kijken en details op nanoschaal te zien."

"Omdat er geen lens in de weg zit, een grote magneet rond het monster plaatsen of apparatuur toevoegen om de monsteromgeving op een andere manier tijdens de meting te veranderen, is met deze methode veel gemakkelijker dan wanneer we een lens zouden moeten gebruiken, ' voegde Shpyrko eraan toe.

Ashish Tripathi, een afgestudeerde student in Shpyrko's lab, ontwikkelde het algoritme dat als lens van de röntgenmicroscoop diende. Het werkte, in principe, een beetje zoals het computerprogramma dat de aanvankelijk wazige beelden van de Hubble-ruimtetelescoop verscherpte, die werd veroorzaakt door een sferische aberratie in de spiegel van de telescoop voordat de telescoop in de ruimte werd gerepareerd. Een soortgelijk concept wordt gebruikt door astronomen die werken in telescopen op de grond die adaptieve optica gebruiken, beweegbare spiegels bestuurd door computers, om de vervormingen in hun beelden weg te nemen van het fonkelende sterlicht dat door de atmosfeer beweegt.

Maar de techniek die Tripathi ontwikkelde was helemaal nieuw. "Er was veel simulatie bij de ontwikkeling betrokken; het was veel werk, ' zei Shpyrko.

Om het vermogen van hun microscoop te testen om details op nanoschaal te penetreren en op te lossen, de natuurkundigen maakten een gelaagde film bestaande uit de elementen gadolinium en ijzer. Dergelijke films worden nu bestudeerd in de informatietechnologie-industrie om een ​​hogere capaciteit te ontwikkelen, kleiner, en sneller computergeheugen en schijfstations.

"Beide zijn magnetische materialen en als je ze in een structuur combineert, blijkt dat ze spontaan magnetische domeinen op nanoschaal vormen, Shpyrko. "Ze assembleren zichzelf in feite tot magnetische strepen."

Onder de röntgenmicroscoop, de gelaagde gadolinium- en ijzerfilm lijkt op een baklava-dessert dat magnetisch rimpelt om een ​​reeks magnetische domeinen te vormen, die verschijnen als de zich herhalende wervelingen van de ribbels in vingerafdrukken. Het voor het eerst kunnen oplossen van deze domeinen op nanoschaal is van cruciaal belang voor computeringenieurs die meer gegevens op kleinere en kleinere harde schijven willen proppen.

Omdat materialen worden gemaakt met steeds kleinere magnetische domeinen, of dunnere en dunnere vingerafdrukpatronen, meer gegevens kunnen worden opgeslagen in een kleinere ruimte binnen een materiaal. "De manier waarop we dat kunnen doen, is door de grootte van de magnetische bits te verkleinen, ' zei Shpyrko.

De techniek zou ook veel andere toepassingen moeten vinden buiten computertechniek.

"Door de röntgenenergie af te stemmen, we kunnen de techniek ook gebruiken om naar verschillende elementen binnen materialen te kijken, wat erg belangrijk is in de chemie, " voegde hij eraan toe. "In de biologie, het kan worden gebruikt om virussen af ​​te beelden, cellen en verschillende soorten weefsels met een ruimtelijke resolutie die beter is dan de resolutie die beschikbaar is met zichtbaar licht."

De wetenschappers gebruikten de Advanced Photon Source, de meest briljante bron van coherente röntgenstraling op het westelijk halfrond, aan het Argonne National Laboratory van de Universiteit van Chicago in de buurt van Chicago om hun onderzoeksproject uit te voeren, die werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie. Naast Tripathi, Shpyrko en Fullerton, een professor in elektrische en computertechniek aan UC San Diego, andere co-auteurs van het artikel zijn UC San Diego natuurkunde afgestudeerde studenten Jyoti Mohanty, Sebastian Dietze en Erik Shipton, evenals natuurkundigen Ian McNulty en SangSoo Kim van het Argonne National Laboratory.