甜甜圈光束帮助物理学家看到极其微小的物体

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那些太小而无法用传统显微镜观察的物体的详细图像。

这项新技术可以帮助科学家改进一系列“纳米电子学”的内部运作，包括计算机芯片中的微型半导体。12 月 1 日，《光学与光子学新闻》特刊“2023 年的光学”重点强调了这一发现。

这项研究是叠印术领域的最新进展，叠印术是一种很难发音(“p”不发音)但功能强大的技术，用于观察非常小的事物。与传统显微镜不同，叠印工具不能直接观察小物体。相反，他们将激光照射到目标上，然后测量光如何散射——有点像在墙上制作皮影戏的微观效果。

该研究的资深作者、杰出物理学教授玛格丽特·默南 (Margaret Murnane) 表示，到目前为止，这种方法效果非常好，但有一个重大例外。

“直到最近，它对于高度周期性的样本或具有定期重复模式的物体完全失败，”JILA 研究员 Murnane 说， JILA是科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究院 (NIST) 的联合研究所。“这是一个问题，因为其中涉及大量纳米电子学。”

她指出，许多重要技术(例如某些半导体)是由硅或碳等原子以网格或网状等规则图案连接在一起组成的。迄今为止，事实证明，科学家使用叠层描记术近距离观察这些结构非常困难。

然而，在这项新研究中，穆南和她的同事想出了一个解决方案。他们在显微镜中没有使用传统的激光器，而是产生了甜甜圈形状的极紫外光束。

该团队的新颖方法可以收集尺寸约为 10 至 100 纳米(或比百万分之一英寸小许多倍)的微小而精致的结构的精确图像。未来，研究人员希望能够放大观察更小的结构。环形光束或光学角动量光束也不会在此过程中损害微型电子设备，而某些现有的成像工具(例如电子显微镜)有时会损坏微型电子设备。

Murnane 说：“将来，这种方法可用于检查用于制造和印刷半导体的聚合物是否存在缺陷，而不会在过程中损坏这些结构。”

Bin Wang 和 Nathan Brooks 是这项新研究的第一作者，他们于 2023 年从 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极限：由于光的物理原理，使用镜头的成像工具只能以约 200 纳米的分辨率看到世界，这不够精确，无法捕获许多病，例如，感染人类。科学家可以冷冻并杀病，以便用强大的冷冻电子显微镜观察它们，但尚无法实时捕获这些病原体的活动。

2000 年代中期首创的叠印术可以帮助研究人员突破这一限制。

要了解其中的原理，请回到那些皮影戏。想象一下，科学家想要收集一个非常小的结构的叠印图像，也许是拼出“CU”的字母。为此，他们首先用激光束照射字母，并对其进行多次扫描。当光线照射到“C”和“U”(在本例中为木偶)时，光束会分裂并散射，产生复杂的图案(阴影)。科学家利用灵敏的探测器记录这些模式，然后用一系列数学方程对其进行分析。Murnane 解释说，只要有足够的时间，他们就能完全根据木偶投射的阴影重新塑造木偶的形状。

“我们不使用镜头来检索图像，而是使用算法，”Murnane 说。

她和她的同事之前曾使用这种方法来观察字母或星星等亚微观形状。

但这种方法不适用于硅或碳网格等重复结构。例如，如果你以这种规律性将规则的激光束照射在半导体上，它通常会产生极其均匀的散射图案，叠印算法很难理解没有太多变化的图案。

这个问题让物理学家摸不着头脑近十年。

甜甜圈显微镜

然而，在这项新研究中，穆南和她的同事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。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装置将这些光束扭曲成螺旋形或涡旋形状。(当这样的光漩涡照射在平坦的表面上时，它会形成类似甜甜圈的形状)。

甜甜圈横梁没有粉的釉料或糖粉，但它们做到了这一点。研究小组发现，当这些类型的光束从重复结构上反射时，它们会创造出比普通激光更复杂的皮影。

为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网，其中一个链接中有一个微小的卡扣。该小组能够以其他叠印工具所未见的精确度发现该缺陷。

“如果你试图在扫描电子显微镜中对同一物体进行成像，你会进一步损坏它，”穆南说。

展望未来，她的团队希望使他们的甜甜圈策略更加准确，使他们能够观察更小、更脆弱的物体——包括有一天，活体生物细胞的运作。

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