研究人員利用甜甜圈形狀的光束創新了一種新的成像方法

近日，美國科羅拉多大學博爾德分校的研究人員利用甜甜圈形狀的光束創新了一種新的成像方法，推動了層析成像領域的發展。這種技術可以對半導體等微小、規則圖案化結構進行詳細成像，克服了傳統顯微鏡的局限性。這一進步有望顯著改善納米電子學和生物成像。

在一項新研究中，科羅拉多大學博爾德分校的研究人員利用甜甜圈狀的光束拍攝出了用傳統顯微鏡無法觀察到的微小物體的詳細圖像。

這項新技術可以幫助科學家改進一系列“納米電子學”的內部運作，包括計算機芯片中的微型半導體。在《光學與光子學新聞》特刊《2023年的光學》重點介紹了這一發現。

這項研究是“印刷學”領域的最新進展。“印刷學”是一種難以發音但功能強大的技術，用于觀察非常微小的事物。與傳統顯微鏡不同，“印刷學”工具并不直接觀察小物體。相反，它們用激光照射目標，然后測量光如何散射，這有點像在墻上制作皮影戲的微觀技術。

該研究的資深作者、物理學特聘教授瑪格麗特·默南表示，到目前為止，這種方法的效果非常好，但亦存在例外情況。

這位科羅拉多大學博爾德分校和美國國家標準與技術研究院（NIST）的聯合研究機構JILA的研究員表示，這種方法對于高周期性樣品或具有有規律重復圖案的物體完全失效，這使得包括很多納米電子器件在內的器件成像無法使用該技術。

她指出，許多重要器件（如某些半導體）都是由硅或碳等原子以規則的模式（如小網格或網狀）連接在一起構成的。迄今為止，科學家們還很難利用層析成像技術近距離觀察這些結構。

王斌和內森·布魯克斯于2023年從JILA獲得博士學位，他們是這項新研究的第一作者。

默南表示，這項研究突破了顯微鏡的基本極限，由于光的物理學原理，使用透鏡的成像工具只能看到約200納米的世界，無法捕捉到更小的東西，如病毒。科學家們可以通過功能強大的低溫電子顯微鏡來冷凍和殺死病毒，但還不能實時捕捉這些病原體的活動。21世紀初開創的層析技術可以幫助研究人員突破這一限制。

其原理類似于皮影戲。想象一下，科學家們想要收集一個非常小的結構的分層圖像，也許是拼寫出“CU”的字母。為此，他們首先用激光束照射字母，對其進行多次掃描。當光線照射到“C”和“U”（這里指木偶）時，光束會破裂散射，產生復雜的圖案（陰影）。科學家利用靈敏的探測器記錄下這些圖案，然后用一系列數學公式進行分析。默南解釋道，只要有足夠的時間，他們就能完全根據投射出的陰影重現字母的形狀。

默南說：“我們不使用鏡頭來獲取圖像，而是使用算法。”

她和她的同事以前曾用這種方法觀察過字母或星星等亞顯微形狀。但這種方法對硅或碳網格等重復結構不起作用。舉例來說，如果用一束規則的激光照射具有這種規則性的半導體，通常會產生一種均勻得令人難以置信的散射圖案，縱橫交錯的算法很難理解那些沒有太多變化的圖案。近十年來，這個問題一直困擾著物理學家。

不過，在新的研究中，默南和她的同事們決定嘗試一些不同的東西。他們沒有使用普通激光來成像。相反，他們產生了一束極紫外光，然后利用一種叫做螺旋相位板的裝置將這些光束扭曲成螺旋狀，即漩渦狀。（當這樣的漩渦光照射在一個平面上時，就會形成像甜甜圈一樣的形狀）。研究小組發現，當這些光束在重復結構上反彈時，它們能產生比普通激光復雜得多的成像。

為了測試這種新方法，研究人員創建了一個碳原子網，其中一個環節上有一個微小的缺口。該研究小組能夠精確地發現這一缺陷，這是其他圖案工具所不具備的。

展望未來，她的團隊希望讓他們的甜甜圈策略更加精確，讓他們能夠觀察更小、更脆弱的物體——包括觀察活的生物細胞的運作。（綜合整理報道）（策劃/羅媛）