科罗拉多大学博尔德分校的研究人员发明了一种新的成像方法，使用甜甜圈形状的光束，推动了平面摄影领域的发展。这项技术可以对微小的、有规律的结构(如半导体)进行详细成像，克服了传统显微镜的局限性。这一进展有望在纳米电子学和生物成像方面取得重大进展。(艺术家的概念。)来源:SciTechDaily.com
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状的光束来拍摄传统显微镜无法观察的物体的详细图像。
纳米电学进展网卡成像
这项新技术可以帮助科学家改进一系列“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。这一发现在12月1日的《光学与光子学新闻》特刊《2023年光学》中得到了重点报道。
摄影术:微观世界的镜头
这项研究是投影术领域的最新进展，这是一种很难发音的技术(“p”是不发音的)，但在观察非常小的物体方面却很强大。与传统的显微镜不同，压型照相工具不能直接观察小物体。相反，他们用激光照射目标，然后测量光线散射的情况——有点像在墙上制作皮影的微观等效物。
由具有规则重复结构的物体反射出的甜甜圈形状的光束所产生的散射图案。资料来源:Wang等，2023,Optica
克服印刷术挑战
该研究的资深作者、杰出物理学教授玛格丽特·莫纳恩(Margaret Murnane)说，到目前为止，这种方法效果非常好，只有一个主要的例外。
“直到最近，它在高周期样本或有规律重复模式的物体上完全失败了，”Murnane说，他是JILA的研究员，JILA是科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所(NIST)的联合研究所。“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，比如一些半导体，都是由硅或碳等原子以小网格或网状的规则模式连接在一起构成的。迄今为止，这些结构对科学家来说很难用触感术近距离观察。
甜甜圈形状的光束从一个难以置信的小结构中散射出去。资料来源:Wang等，2023,Optica
甜甜圈形光的突破
然而，在这项新研究中，Murnane和她的同事们提出了一个解决方案。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精确的微小和精致结构的图像，这些结构的尺寸大约在10到100纳米之间，或者比百万分之一英寸小很多倍。在未来，研究人员希望放大观察更小的结构。甜甜圈，或光学角动量，光束也不会在这个过程中损坏微小的电子设备——像一些现有的成像工具，如电子显微镜，有时会。
“在未来，这种方法可以用来检查用于制造和打印半导体的聚合物的缺陷，而不会在这个过程中破坏这些结构，”Murnane说。
王斌和内森·布鲁克斯是这项新研究的第一作者，他们于2023年在JILA获得了博士学位。
突破显微镜的极限
Murnane说，这项研究突破了显微镜的基本限制:由于光的物理特性，使用透镜的成像工具只能看到分辨率约为200纳米的世界，这不足以准确捕捉许多病毒，例如感染人类的病毒。科学家们可以冷冻和杀死病毒，用强大的低温电子显微镜观察它们，但还不能实时捕获这些病原体。
在2000年代中期首创的印刷术可以帮助研究人员突破这一限制。
印刷术的原理
要理解其中的奥秘，就回到皮影上。想象一下，科学家们想要收集一个非常小的结构的平面图像，也许是拼出“CU”的字母。为了做到这一点，他们首先用激光束照射字母，对它们进行多次扫描。当光线照射到“C”和“U”(在这种情况下，是木偶)时，光束会分裂和散射，产生一个复杂的图案(阴影)。科学家们利用灵敏的探测器记录下这些模式，然后用一系列数学方程对它们进行分析。穆纳恩解释说，只要有足够的时间，他们就会完全根据自己投下的影子来重现木偶的形状。
“我们使用算法，而不是使用镜头来检索图像，”Murnane说。
她和她的同事们以前用这种方法来观察亚微观的形状，如字母或星星。
但这种方法不适用于像硅或碳网格这样的重复结构。例如，如果你将一束有规律的激光照射到半导体上，它通常会产生一个令人难以置信的均匀的散射图案——平面图算法很难理解那些没有太多变化的图案。
这个问题已经让物理学家们摸不着头脑将近十年了。
为了测试他们的新方法，研究人员制作了一个碳原子网，其中一个链接有一个小缺陷，在这里使用甜甜圈形状的光束，左边的面板，和传统的激光，中间和右边。资料来源:Wang等，2023,Optica
甜甜圈显微镜
然而，在新的研究中，Murnane和她的同事们决定尝试一些不同的方法。他们没有使用常规激光制作皮影。相反，他们产生极紫外光束，然后使用一种称为螺旋相位板的设备将这些光束扭曲成螺旋状或漩涡状。(当这样的光漩涡照射在平面上时，它会形成一个像甜甜圈一样的形状。)
甜甜圈梁没有粉红色的釉料或糖屑，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反弹时，它们产生的皮影比普通激光复杂得多。
为了测试这种新方法，研究人员创造了一个碳原子网，其中一个链接上有一个小裂缝。该小组能够精确地发现这种缺陷，而这种缺陷在其他体型学工具中是看不到的。
“如果你试图在扫描电子显微镜下成像同样的东西，你会进一步破坏它，”Murnane说。
追求更精细的细节
展望未来，她的团队希望使他们的甜甜圈策略更加精确，使他们能够观察更小、更脆弱的物体——包括有一天，活的生物细胞的工作原理。
参考文献:Michael Tanksalvala, Henry C. Kapteyn, Bin Wang, Peter Johnsen, Yuka Esashi, Iona Binnie, Margaret M. Murnane, Nicholas W. Jenkins和Nathan J. Brooks, 2023年9月19日，Optica。DOI: DOI: 10.1364 / OPTICA.498619
这项新研究的其他共同作者包括物理学教授兼JILA研究员Henry Kapteyn，以及JILA现任和前任研究生Peter Johnsen, Nicholas Jenkins, Yuka Esashi, Iona Binnie和Michael Tanksalvala。
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