在发布在《光学》杂志上的一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员使用甜甜圈形光束拍摄了无法用传统显微镜观察的微小物体的详细图像。
这项新技术可以帮助科学家改善一系列“纳米电子学”的内部工作原理，包括计算机芯片中的微型半导体。这一发现也在《光学与光子学新闻》的特刊中得到了强调。
这项研究是叠层摄影领域的最新进展，叠层摄影是一种难以发音但强大的技术，用于观察非常小的东西。与传统显微镜不同，叠层成像工具不能直接观察小物体。取而代之的是，他们将激光照射到目标上，然后测量光线是如何散射的——有点像在墙上制作皮影戏的微观效果。
到目前为止，这种方法非常有效，但有一个主要的例外，该研究的资深作者和物理学杰出教授Margaret Murnane说。
“直到最近，对于具有定期重复模式的高度周期性样品或物体，它完全失败了，”CU Boulder和美国国家标准与技术研究院联合研究所JILA的研究员Murnane说。“这是一个问题，因为这包括很多纳米电子学。
她指出，许多重要的技术，如一些半导体，都是由硅或碳等原子组成的，这些原子以网格或网格等规则模式连接在一起。迄今为止，这些结构已被证明是科学家使用叠层术近距离观察的棘手问题。
然而，在这项新研究中，Murnane和她的同事们设计了一个解决方案。他们没有在显微镜中使用传统的激光，而是产生了甜甜圈形状的极紫外光束。
该团队的新方法可以收集微小而精致的结构的准确图像，这些结构的大小约为10至100纳米，或比百万分之一英寸小很多倍。未来，研究人员希望放大以查看更小的结构。甜甜圈或光学角动量光束也不会在此过程中损坏微小的电子设备，因为一些现有的成像工具，如电子显微镜，有时会损坏。
“将来，这种方法可用于检查用于制造和打印半导体的聚合物是否存在缺陷，而不会在此过程中损坏这些结构，”Murnane说。
突破显微镜的极限
Murnane说，这项研究突破了显微镜的基本极限：由于光的物理特性，使用镜头的成像工具只能看到大约200纳米的分辨率，这不足以捕获许多感染人类的病毒。科学家可以冷冻和杀死病毒，用强大的冷冻电子显微镜观察它们，但还不能实时捕捉这些病原体。
在 2000 年代中期开创的叠层摄影可以帮助研究人员突破这一限制。
要了解如何操作，请回到那些皮影戏。想象一下，科学家们想要收集一个非常小的结构的叠层图像，也许是拼写“CU”的字母。为此，他们首先将激光束照射到这些字母上，并对其进行多次扫描。当光线照射到“C”和“U”时，光束会破裂并散射，产生复杂的图案。科学家使用灵敏的探测器记录这些模式，然后用一系列数学方程式进行分析。Murnane解释说，只要有足够的时间，他们就会完全从他们投射的阴影中重建木偶的形状。
“我们不是使用镜头来检索图像，而是使用算法，”Murnane说。
她和她的同事们以前曾使用这种方法来观察字母或星星等亚微观形状。
但这种方法不适用于像硅或碳网格这样的重复结构。例如，如果你以这种规则性将常规激光束照射到半导体上，它通常会产生非常均匀的散射图案——ptychographic 算法很难理解其中没有太大变化的图案。
近十年来，这个问题一直让物理学家摸不着头脑。
甜甜圈显微镜
然而，在这项新研究中，Murnane和她的同事决定尝试一些不同的东西。他们没有使用普通激光制作皮影戏。取而代之的是，他们产生了极紫外光束，然后使用一种称为螺旋相位板的装置将这些光束扭曲成开瓶器或涡流的形状。
甜甜圈梁没有粉红色的釉料或洒水，但它们做到了。研究小组发现，当这些类型的光束从重复的结构上反弹时，它们会产生比常规激光更复杂的皮影木偶。
为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网，其中一个链接中有一个微小的卡扣。该小组能够以其他ptychograph工具所没有的精度发现该缺陷。
“如果你试图在扫描电子显微镜中对同样的东西进行成像，你会进一步损坏它，”Murnane说。
展望未来，她的团队希望使他们的甜甜圈策略更加准确，使他们能够观察更小、更脆弱的物体——包括有朝一日活的生物细胞的运作。
