研究人员利用甜甜圈形状的光束创新了一种新的成像方法

近日，美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用甜甜圈形状的光束创新了一种新的成像方法，推动了层析成像领域的发展。这种技术可以对半导体等微小、规则图案化结构进行详细成像，克服了传统显微镜的局限性。这一进步有望显著改善纳米电子学和生物成像。

在一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用甜甜圈状的光束拍摄出了用传统显微镜无法观察到的微小物体的详细图像。

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。在《光学与光子学新闻》特刊《2023年的光学》重点介绍了这一发现。

这项研究是“印刷学”领域的最新进展。“印刷学”是一种难以发音但功能强大的技术，用于观察非常微小的事物。与传统显微镜不同，“印刷学”工具并不直接观察小物体。相反，它们用激光照射目标，然后测量光如何散射，这有点像在墙上制作皮影戏的微观技术。

该研究的资深作者、物理学特聘教授玛格丽特·默南表示，到目前为止，这种方法的效果非常好，但亦存在例外情况。

这位科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合研究机构JILA的研究员表示，这种方法对于高周期性样品或具有有规律重复图案的物体完全失效，这使得包括很多纳米电子器件在内的器件成像无法使用该技术。

她指出，许多重要器件（如某些半导体）都是由硅或碳等原子以规则的模式（如小网格或网状）连接在一起构成的。迄今为止，科学家们还很难利用层析成像技术近距离观察这些结构。

王斌和内森·布鲁克斯于2023年从JILA获得博士学位，他们是这项新研究的第一作者。

默南表示，这项研究突破了显微镜的基本极限，由于光的物理学原理，使用透镜的成像工具只能看到约200纳米的世界，无法捕捉到更小的东西，如病毒。科学家们可以通过功能强大的低温电子显微镜来冷冻和杀死病毒，但还不能实时捕捉这些病原体的活动。21世纪初开创的层析技术可以帮助研究人员突破这一限制。

其原理类似于皮影戏。想象一下，科学家们想要收集一个非常小的结构的分层图像，也许是拼写出“CU”的字母。为此，他们首先用激光束照射字母，对其进行多次扫描。当光线照射到“C”和“U”（这里指木偶）时，光束会破裂散射，产生复杂的图案（阴影）。科学家利用灵敏的探测器记录下这些图案，然后用一系列数学公式进行分析。默南解释道，只要有足够的时间，他们就能完全根据投射出的阴影重现字母的形状。

默南说：“我們不使用镜头来获取图像，而是使用算法。”

她和她的同事以前曾用这种方法观察过字母或星星等亚显微形状。但这种方法对硅或碳网格等重复结构不起作用。举例来说，如果用一束规则的激光照射具有这种规则性的半导体，通常会产生一种均匀得令人难以置信的散射图案，纵横交错的算法很难理解那些没有太多变化的图案。近十年来，这个问题一直困扰着物理学家。

不过，在新的研究中，默南和她的同事们决定尝试一些不同的东西。他们没有使用普通激光来成像。相反，他们产生了一束极紫外光，然后利用一种叫做螺旋相位板的装置将这些光束扭曲成螺旋状，即漩涡状。（当这样的漩涡光照射在一个平面上时，就会形成像甜甜圈一样的形状）。研究小组发现，当这些光束在重复结构上反弹时，它们能产生比普通激光复杂得多的成像。

为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网，其中一个环节上有一个微小的缺口。该研究小组能够精确地发现这一缺陷，这是其他图案工具所不具备的。

展望未来，她的团队希望让他们的甜甜圈策略更加精确，让他们能够观察更小、更脆弱的物体——包括观察活的生物细胞的运作。（综合整理报道）（策划/罗媛）