科罗拉多大学博尔德分校的研究人员创新了一种新的成像方法，使用甜甜圈形光束，推动了叠层摄影领域的发展。这种技术能够对微小的、规则图案的结构进行详细成像，克服了传统显微镜以前的局限性。这一突破有望在纳米电子学和生物成像方面取得重大进展。
在一项新的研究中，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太小而无法用传统显微镜观察的物体的详细图像。
这项新技术有助于“纳米电子”国际游戏的科学研究，包括微型游戏。半导半导的信息。2023年，光学与光子技术应用的数量将增加。
这项研究是叠层摄影领域的最新进展，这种技术很难发音，但对于可视化非常小的事物来说却很强大。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，他们将激光对准目标，然后测量光线的散射方式，就像在墙上制作皮影戏一样。
到目前为止，这种方法非常有效，但有一个主要的例外，该研究的主要作者、物理学名誉教授玛格丽特·穆尔南说。
“直到最近，对于具有规则重复模式的非常周期性的样品或物体来说，这完全失败了，”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，因为它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，这些原子以规则的模式连接在一起，如小网格或网格。到目前为止，这些结构已被证明很难让科学家使用叠层学仔细观察。
然而，在这项新研究中，Murnane和他的同事们找到了解决方案。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的极紫外光束。
该团队的新方法使得收集微小、精致结构的精确图像成为可能，这些结构的大小约为10至100纳米，或比百万分之一英寸小几倍。未来，研究人员计划放大以可视化更小的结构。甜甜圈形光束或光学角动量也不会损坏过程中的微小电子元件，就像一些现有的成像工具有时可以做到的那样。
“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。
王斌和内森·布鲁克斯于2023年获得JILA博士学位，是这项新研究的第一作者。
根据Murnane的说法，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以大约200纳米的分辨率观察世界。
2000年代中期推出的叠层摄影可以帮助研究人员克服这一局限性。
为了理解如何，让我们回到这些皮影戏。想象一下，科学家们想要收集一个非常小的结构的图景图像，也许是拼写出“CU”的字母。为此，他们首先向字母发送激光束，扫描它们几次。当光线到达“C”和“U”时，光束断裂并散射，产生复杂的图案。科学家使用灵敏的探测器记录这些模式，然后使用一系列数学方程式进行分析。Murnane解释说，如果有足够的时间，他们就会从他们投射的阴影中完全重建木偶的形状。
“我们不是使用镜头来检索图像，而是使用算法，”Murnane说。
她和她的同事们已经使用这种方法来可视化字母或星星等亚微观形状。
但这种方法不适用于像这些硅或碳网格这样的重复结构。例如，如果你以这种规律性将普通激光束投射到半导体上，它通常会产生非常均匀的散射图案：ptychograph算法很难理解没有太大变化的图案。
这个问题困扰了物理学家近十年。
然而，在这项新研究中，Murnane和他的同事们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来扭曲那些开瓶器或涡流形光束。
甜甜圈包没有糖霜或粉红色的洒水，但它们做到了。研究小组发现，当这些类型的光束从重复结构上反弹时，他们创造了比普通激光复杂得多的皮影木偶。
为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网格，只需在其中一个链接中单击一下即可。该小组能够以其他叠层工具所没有的精度发现这一缺陷。
“如果你试图用扫描电子显微镜对同样的东西进行成像，你会对它造成更大的损害，”Murnane说。
迈向更精细的细节
未来，他的团队希望使他的甜甜圈策略更加精确，使他能够可视化更小、更脆弱的物体，包括有朝一日活生物细胞的功能。
这项新研究的其他合著者包括物理学教授和JILA成员Henry Kapteyn，以及现任和前任JILA研究生Peter Johnsen，Nicholas Jenkins，Yuka Esashi，Iona Binnie和Michael Tanksalvala。
