In un nuovo studio pubblicato su Optica , i ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno utilizzato fasci di luce a forma di ciambella per acquisire immagini dettagliate di oggetti troppo piccoli per essere visualizzati con i microscopi tradizionali.
La nuova tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a migliorare il funzionamento interno di una serie di "nanoelettronica", compresi i semiconduttori in miniatura nei chip dei computer. La scoperta è stata evidenziata anche in un numero speciale di Optics &Photonics News.
La ricerca è l'ultimo progresso nel campo della psicografia, una tecnica difficile da pronunciare (la "p" è muta) ma potente per visualizzare cose molto piccole. A differenza dei microscopi tradizionali, gli strumenti pitcografici non visualizzano direttamente piccoli oggetti. Puntano invece i laser su un bersaglio e poi misurano il modo in cui la luce si disperde, un po' come l'equivalente microscopico di creare marionette ombra su un muro.
Finora, l'approccio ha funzionato molto bene, con una grande eccezione, ha affermato l'autore senior dello studio e illustre professore di fisica Margaret Murnane.
"Fino a poco tempo fa, ha fallito completamente per campioni altamente periodici o oggetti con uno schema che si ripete regolarmente", ha affermato Murnane, membro del JILA, un istituto di ricerca congiunto dell'CU Boulder e del National Institute of Standards and Technology (NIST). "È un problema perché include molta nanoelettronica."
Ha notato che molte tecnologie importanti, come alcuni semiconduttori, sono costituite da atomi come il silicio o il carbonio uniti insieme in schemi regolari come una griglia o una rete. Fino ad oggi, per gli scienziati è stato difficile osservare da vicino quelle strutture utilizzando la pitcografia.
Nel nuovo studio, tuttavia, Murnane e i suoi colleghi hanno ideato una soluzione. Invece di utilizzare i laser tradizionali nei loro microscopi, hanno prodotto fasci di luce ultravioletta estrema a forma di ciambelle.
Il nuovo approccio del team può raccogliere immagini accurate di strutture minuscole e delicate di dimensioni comprese tra 10 e 100 nanometri o molte volte più piccole di un milionesimo di pollice. In futuro, i ricercatori si aspettano di ingrandire per visualizzare strutture ancora più piccole. Inoltre, i raggi a ciambella, o momento angolare ottico, non danneggeranno i piccoli componenti elettronici nel processo, come a volte possono fare alcuni strumenti di imaging esistenti, come i microscopi elettronici.
"In futuro, questo metodo potrebbe essere utilizzato per ispezionare i polimeri utilizzati per produrre e stampare i semiconduttori alla ricerca di difetti senza danneggiare tali strutture nel processo", ha affermato Murnane.
La ricerca, ha affermato Murnane, spinge i limiti fondamentali dei microscopi:a causa della fisica della luce, gli strumenti di imaging che utilizzano lenti possono vedere il mondo solo fino a una risoluzione di circa 200 nanometri, che non è abbastanza precisa per catturare molti dei virus. , ad esempio, che infettano gli esseri umani. Gli scienziati possono congelare e uccidere i virus per visualizzarli con potenti microscopi crioelettronici, ma non possono ancora catturare questi agenti patogeni in azione e in tempo reale.
La pitcografia, introdotta a metà degli anni 2000, potrebbe aiutare i ricercatori a superare questo limite.
Per capire come, torniamo a quelle marionette ombra. Immagina che gli scienziati vogliano raccogliere un'immagine psicografica di una struttura molto piccola, forse lettere che compongono "CU". Per fare ciò, prima colpiscono le lettere con un raggio laser, scansionandole più volte. Quando la luce colpisce la "C" e la "U" (in questo caso, le marionette), il raggio si spezzerà e si disperderà, producendo uno schema complesso (le ombre). Utilizzando rilevatori sensibili, gli scienziati registrano questi modelli, quindi li analizzano con una serie di equazioni matematiche. Con abbastanza tempo, ha spiegato Murnane, ricreano interamente la forma delle loro marionette a partire dalle ombre che proiettano.
"Invece di utilizzare una lente per recuperare l'immagine, utilizziamo algoritmi", ha affermato Murnane.
Lei e i suoi colleghi hanno già utilizzato questo approccio per visualizzare forme submicroscopiche come lettere o stelle.
Ma l’approccio non funzionerà con strutture ripetitive come quelle griglie di silicio o carbonio. Se si punta un raggio laser regolare su un semiconduttore con tale regolarità, ad esempio, si produrrà spesso uno schema di dispersione incredibilmente uniforme:gli algoritmi pticografici faticano a dare un senso a schemi che non presentano molte variazioni.
Il problema ha lasciato i fisici a grattarsi la testa per quasi un decennio.
Nel nuovo studio, tuttavia, Murnane e i suoi colleghi hanno deciso di provare qualcosa di diverso. Non hanno realizzato le loro marionette ombra utilizzando i normali laser. Invece, hanno generato fasci di luce ultravioletta estrema, quindi hanno utilizzato un dispositivo chiamato piastra di fase a spirale per torcere quei raggi a forma di cavatappi o vortice. (Quando un tale vortice di luce brilla su una superficie piana, forma una forma simile a una ciambella.)
Le travi a ciambella non avevano glassa rosa o confettini, ma funzionavano. Il team ha scoperto che quando questi tipi di raggi rimbalzavano su strutture ripetitive, creavano ombre molto più complesse rispetto ai normali laser.
Per testare il nuovo approccio, i ricercatori hanno creato una rete di atomi di carbonio con un piccolo scatto in uno dei collegamenti. Il gruppo è stato in grado di individuare questo difetto con una precisione mai vista in altri strumenti psicografici.
"Se provassi a visualizzare la stessa cosa in un microscopio elettronico a scansione, lo danneggeresti ancora di più", ha detto Murnane.
Guardando al futuro, il suo team vuole rendere la strategia della ciambella ancora più accurata, consentendo loro di visualizzare oggetti più piccoli e ancora più fragili, incluso, un giorno, il funzionamento delle cellule biologiche viventi.
Ulteriori informazioni: Bin Wang et al, Imaging pticografico ad alta fedeltà di strutture altamente periodiche abilitate da fasci ad alta armonica a vortice, Optica (2023). DOI:10.1364/OTTICA.498619
Informazioni sul giornale: Ottica
Fornito dall'Università del Colorado a Boulder
