Le immagini forniscono informazioni:ciò che possiamo osservare con i nostri occhi ci permette di capire. Espandendo costantemente il campo della percezione in dimensioni inizialmente nascoste ad occhio nudo, guida la scienza in avanti. Oggi, microscopi sempre più potenti ci permettono di vedere nelle cellule e nei tessuti degli organismi viventi, nel mondo dei microrganismi così come nella natura inanimata.

Ma anche i migliori microscopi hanno i loro limiti. "Per essere in grado di osservare strutture e processi fino al livello della nanoscala e al di sotto, abbiamo bisogno di nuovi metodi e tecnologie, " afferma il dott. Silvio Fuchs dell'Istituto di ottica ed elettronica quantistica dell'Università di Jena. Ciò vale in particolare per aree tecnologiche come la ricerca sui materiali o l'elaborazione dei dati. "In questi giorni, componenti elettronici, i chip o i circuiti dei computer stanno diventando sempre più piccoli, " aggiunge Fuchs. Insieme ai colleghi, ora ha sviluppato un metodo che consente di visualizzare e studiare così piccoli, strutture complesse e persino "vederle dentro" senza distruggerle. Nell'ultimo numero della rivista scientifica ottica , i ricercatori presentano il loro metodo—Tomografia coerente con luce ultravioletta estrema (XCT in breve)—e ne mostrano il potenziale nella ricerca e nell'applicazione.

La luce penetra nel campione e viene riflessa dalle strutture interne

La procedura di imaging si basa sulla tomografia a coerenza ottica (OCT), che è stato stabilito in oftalmologia per un certo numero di anni, spiega il dottorando Felix Wiesner, l'autore principale dello studio. "Questi dispositivi sono stati sviluppati per esaminare la retina dell'occhio in modo non invasivo, strato per strato, per creare immagini tridimensionali." All'oculista, L'OCT utilizza la luce infrarossa per illuminare la retina. La radiazione è selezionata in modo tale che il tessuto da esaminare non la assorba troppo fortemente e possa essere riflessa dalle strutture interne. Però, i fisici di Jena usano la luce UV a onde estremamente corte invece della luce infrarossa a onde lunghe per il loro ottobre. "Ciò è dovuto alle dimensioni delle strutture che vogliamo immaginare, " dice Felix Wiesner. Per esaminare i materiali semiconduttori con dimensioni della struttura di pochi nanometri, è necessaria una luce con una lunghezza d'onda di pochi nanometri.

L'effetto ottico non lineare genera una luce UV coerente a onde estremamente corte

La generazione di tale luce UV a onde estremamente corte (XUV) era una sfida ed era quasi possibile solo in strutture di ricerca su larga scala. Fisici Jena, però, generare XUV a banda larga in un normale laboratorio e utilizzare a questo scopo le cosiddette armoniche alte. Questa è la radiazione prodotta dall'interazione della luce laser con un mezzo e ha una frequenza molte volte quella della luce originale. Più alto è l'ordine armonico, minore è la lunghezza d'onda risultante. "In questo modo, generiamo luce con una lunghezza d'onda compresa tra 10 e 80 nanometri utilizzando laser a infrarossi, " spiega il prof. Gerhard Paulus, Professore di Ottica non lineare presso l'Università di Jena. "Come la luce laser irradiata, anche la risultante luce XUV a banda larga è coerente, il che significa che ha proprietà simili al laser."

Nel lavoro descritto nel loro articolo attuale, i fisici hanno esposto strutture di strati nanoscopici in silicio alla radiazione XUV coerente e hanno analizzato la luce riflessa. I campioni di silicio contenevano strati sottili di altri metalli, come il titanio o l'argento, a diverse profondità. Poiché questi materiali hanno proprietà riflettenti diverse dal silicio, possono essere rilevati nella radiazione riflessa. Il metodo è così preciso che non solo la struttura profonda dei piccoli campioni può essere visualizzata con precisione nanometrica, ma, a causa del diverso comportamento riflettente, anche la composizione chimica dei campioni può essere determinata con precisione e, soprattutto, in maniera non distruttiva. "Ciò rende la tomografia a coerenza un'applicazione interessante per l'ispezione di semiconduttori, celle solari o componenti ottici multistrato, " dice Paulus. Potrebbe essere usato per il controllo di qualità nel processo di fabbricazione di tali nanomateriali, per rilevare difetti interni o impurità chimiche.