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限制。這項進步有望顯著改善奈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影像。

這項新技術可以幫助科學家改進一系列”奈米電子學”的內部運作，包括電腦晶片中的微型半導體。 12 月 1 日出版的《光學與光子學新聞》（Optics & Photonics News）特刊《2023 年的光學》（Optics in 2023）重點介紹了這項發現。

這項研究是”ptychography”領域的最新進展。 “ptychography”是一種難以發音（”p”不發音）但強大的技術，用於觀察非常微小的事物。與傳統顯微鏡不同，ptychography 工具不會直接觀察小物體。相反，它們用雷射照射目標，然後測量光如何散射–這有點像在牆上製作皮影戲的微觀技術。

甜甜圈形光束從具有規則重複結構的物體上反彈產生的散射圖案。圖片來源：Wang 等人，2023 年，Optica

研究的資深作者、物理學特聘教授瑪格麗特-默南（Margaret Murnane）說，到目前為止，這種方法的效果非常好，但有一個重大例外。

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 的研究員說：”直到最近，這種方法對於高週期性樣品或具有規律重複圖案的物體完全失效。這是一個問題，因為其中包括很多奈米電子裝置。 “

她指出，許多重要技術（如某些半導體）都是由矽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，科學家還很難利用層析成像技術近距離觀察這些結構。

圓環狀光束從一個極為微小的結構散射開來。圖片來源：Wang 等人，2023 年，Optica

然而，在這項新研究中，Murnane 和她的同事想出了一個解決方案。他們沒有在顯微鏡中使用傳統的激光，而是製造出了甜甜圈形狀的極紫外線光束。

該團隊的新方法可以收集到微小而精細的結構的精確圖像，這些結構的尺寸大約在 10 到 100 奈米之間，比一英寸的百萬分之一還要小很多倍。未來，研究人員有望放大觀察較小的結構。在這個過程中，甜甜圈光束或光學角動量光束也不會傷害到微小的電子元件–現有的一些成像工具，如電子顯微鏡，有時就會傷害到它們。

Murnane說：”未來，這種方法可用於檢查用於製造和列印半導體的聚合物是否有缺陷，而不會在此過程中損壞這些結構。 “

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

Murnane說，這項研究突破了顯微鏡的基本極限： 由於光的物理學原理，使用透鏡的成像工具只能看到約200奈米的世界 – 這還不夠精確，無法捕捉到許多感染人類的病毒。科學家可以透過功能強大的低溫電子顯微鏡來冷凍和殺死病毒，但還不能即時捕捉這些病原體的活動。 2000 年代中期開創的層析技術可以幫助研究人員突破這項限制。

其原理類似皮影戲。想像一下，科學家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，他們首先用雷射光束照射字母，對其進行多次掃描。當光線照射到”C”和”U”（這裡指木偶）時，光束會破裂散射，產生複雜的圖案（陰影）。科學家利用靈敏的探測器記錄下這些圖案，然後用一系列數學公式進行分析。穆爾納恩解釋說，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。

穆爾南說：”我們不使用鏡頭來獲取影像，而是使用演算法。 “

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。但這種方法對矽或碳網格等重複結構不起作用。舉例來說，如果用一束規則的雷射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–縱橫交錯的演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。

為了測試他們的新方法，研究人員製作了一個碳原子網，其中一個環節有一個小缺陷，左圖為使用甜甜圈形光束觀察，中圖和右圖為使用傳統雷射觀察。圖片來源：Wang 等人，2023 年，Optica

不過，在新的研究中，Murnane 和她的同事決定嘗試一些不同的東西。他們沒有使用普通雷射製作皮影。相反，他們產生了一束極紫外光，然後利用一種稱為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）。 。研究團隊發現，當這些光束在重複結構上反彈時，它們能產生比普通雷射複雜得多的皮影戲。

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。研究小組能夠精確地發現這項缺陷，這是其他圖案工具所沒有的。

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–包括有朝一日觀察活的生物細胞的運作。

編譯自：ScitechDaily