פתיחת הננו-וורלד עם מיקרוסקופ קרן וורטקס מוגדשת

ללמוד ננומטרי דפוסים ברכיבים אלקטרוניים או פוטונים זעירים, שיטה חדשה המבוססת על הדמיה ללא עדשות מאפשרת מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה כמעט מושלמת. Ptychography, צורה רבת עוצמה של הדמיה ללא עדשות, משתמשת בקרן סריקה כדי לאסוף אור מפוזר לצורך שחזור תמונה, תוך התמודדות עם אתגרים עם דגימות תקופתיות.

כדי לחקור דפוסים ננומטריים ברכיבים אלקטרוניים או פוטונים זעירים, שיטה חדשה המבוססת על הדמיה ללא עדשות מאפשרת מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה כמעט מושלמת. זה חשוב במיוחד באורכי גל קצרים מאולטרה סגול, שיכולים לצלם ברזולוציה מרחבית גבוהה יותר מאשר אור נראה, אך שבהם האופטיקה של יצירת תמונה אינה מושלמת.

הצורה החזקה ביותר של הדמיה ללא עדשות נקראת פטיכוגרפיה, הפועלת על ידי סריקת קרן דמוית לייזר על פני דגימה, איסוף האור המפוזר ולאחר מכן שימוש באלגוריתם מחשב כדי לשחזר תמונה של הדגימה.

בעוד שפטיכוגרפיה יכולה לדמיין ננו-מבנים רבים, למיקרוסקופ המיוחד הזה יש בעיה לנתח דגימות עם דפוסים קבועים מאוד שחוזרים על עצמם. הסיבה לכך היא שהאור המפוזר אינו משתנה כאשר דגימה תקופתית נסרקת, כך שהאלגוריתם של המחשב מתבלבל ואינו יכול לשחזר תמונה טובה.

לוקח על עצמו את האתגר הזה, סיים לאחרונה את לימודי הדוקטורט. החוקרים בין וואנג ונתן ברוקס, בעבודה עם חברי JILA Margaret Murnane והנרי Kapteyn, פיתחו שיטה חדשה המשתמשת באור באורך גל קצר עם מערבולת מיוחדת או צורת סופגניה כדי לסרוק את המשטחים החוזרים הללו, וכתוצאה מכך דפוסי עקיפה מגוונים יותר. זה איפשר לחוקרים ללכוד שחזורי תמונות בנאמנות גבוהה באמצעות גישה חדשה זו, שפרסמו לאחרונה בכתב העת אופטיקה. תוצאה זו תודגש גם ב- מגזין אופטיקה חדשות אופטיקה ופוטוניקה בנקודות השיא השנתיות של אופטיקה בשנת 2023.

שיטת הדמיה חדשה זו משפיעה במיוחד על יישומים בננו-אלקטרוניקה, פוטוניקה ו מטא-חומרים. "היכולת לבנות (או לשנות את הצורה של) קרני לייזר גלויות לסופגנייה וצורות אחרות חוללה מהפכה במיקרוסקופ רזולוציית העל הנראית לעין", הסביר Murnane. "זה מאוד מרגש שיש כעת דרך קדימה להבאת היכולות החזקות הללו לאורכי גל קצרים יותר."

פיסול קורות הרמוניות גבוהות בצורת וורטקס

כדי ליצור קרניים דמויות לייזר באורכי גל קצרים במערך קנה מידה שולחני, צוות JILA השתמש בתהליך שנקרא יצירת הרמונית גבוהה (HHG). HHG מתרחש כאשר דופק לייזר מהיר במיוחד פוגע ב- אָטוֹם, מוציא אלקטרון משם ואז מסיע אותו בחזרה לאטום האב שלו כדי לשלב מחדש. במגע, האטומים ממירים את האנרגיה הקינטית של האלקטרון שלהם לאור אולטרה סגול קיצוני (EUV). ואם מיליוני אטומים כולם פולטים את אור ה-EUV באופן סינכרוני, הגלים מייצרים קרן EUV בהירה דמוית לייזר.

כדי לצלם דפוסים חוזרים, חוקרי JILA היו צריכים למצוא דרך לשנות את אלומת HHG כך שהאור המפוזר ישתנה כאשר אלומת ה-EUV נסרקה על הדגימה. החוקרים שידלו את קרני ה-HHG להפוך מדיסק לצורת מערבולת או סופגניה, הנקראת קרן תנע זוויתית מסלולית (OAM), כדי להשיג את האפקט הזה. צורה שונה זו תהיה חיונית כדי לאפשר הדמיה ללא עדשות של דגימות תקופתיות.

כאשר המדענים האירו את המיקרוסקופ שלהם בקרני HHG בצורת מערבולת (ראה תמונה נלווית), נוצרו דפוסי פיזור מורכבים יותר, שהשתנו עם סריקת המדגם. וריאציות אלו קודדו מידע על המוטיבים החוזרים של המדגם ואפשרו לאלגוריתם לחלץ תמונה מדויקת.

מעבר לתוצאה המרגשת הזו, הדמיה חדשה זו ללא עדשות קרן מערבולת יצרה פחות נזק לדגימה העדינה מזו של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. מכיוון שהרבה חומרים רכים, דגימות פלסטיק וביולוגיות הם שבירים, יש דרך מדויקת ועדינה לדימוי שלהם היא המפתח.

בנוסף, הדמיה ללא עדשות עם אלומת מערבולת הייתה טובה יותר בזיהוי פגמים בדפוס הננו מאשר מיקרוסקופיה סורקת אלקטרונים, הנוטה להמיס דגימות עדינות.

דפוסים, דפוסים, בכל מקום – ועכשיו אנחנו יכולים לראות אותם טוב יותר

עבור מדענים המייצרים חומרים מעוצבים עבור התקני ננו, אנרגיה, פוטוניים וקוונטיים מהדור הבא, התקדמות זו מאפשרת הדמיה ברזולוציה גבוהה של מבנים תקופתיים ביותר, מבלי להרוס אותם. כפי שהרחיב קפטין: "בעתיד, זה עשוי גם לאפשר לצלם תאים חיים עדינים ברזולוציה מרחבית גבוהה".

למידע נוסף על מחקר זה, ראה כיצד קרני אור "סופגנייה" פותחות תעלומות מיקרוסקופיות.