近日，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員利用甜甜圈形狀的光束創(chuàng)新了一種新的成像方法，推動(dòng)了層析成像領(lǐng)域的發(fā)展。這種技術(shù)可以對(duì)半導(dǎo)體等微小、規(guī)則圖案化結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)成像，克服了傳統(tǒng)顯微鏡的局限性。這一進(jìn)步有望顯著改善納米電子學(xué)和生物成像。

在一項(xiàng)新研究中，科羅拉多大學(xué)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(tǒng)顯微鏡無(wú)法觀察到的微小物體的詳細(xì)圖像。

這項(xiàng)新技術(shù)可以幫助科學(xué)家改進(jìn)一系列“納米電子學(xué)”的內(nèi)部運(yùn)作，包括計(jì)算機(jī)芯片中的微型半導(dǎo)體。在《光學(xué)與光子學(xué)新聞》特刊《2023年的光學(xué)》重點(diǎn)介紹了這一發(fā)現(xiàn)。

這項(xiàng)研究是“印刷學(xué)”領(lǐng)域的最新進(jìn)展?！坝∷W(xué)”是一種難以發(fā)音但功能強(qiáng)大的技術(shù)，用于觀察非常微小的事物。與傳統(tǒng)顯微鏡不同，“印刷學(xué)”工具并不直接觀察小物體。相反，它們用激光照射目標(biāo)，然后測(cè)量光如何散射，這有點(diǎn)像在墻上制作皮影戲的微觀技術(shù)。

該研究的資深作者、物理學(xué)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(xué)博爾德分校和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)JILA的研究員表示，這種方法對(duì)于高周期性樣品或具有有規(guī)律重復(fù)圖案的物體完全失效，這使得包括很多納米電子器件在內(nèi)的器件成像無(wú)法使用該技術(shù)。

她指出，許多重要器件（如某些半導(dǎo)體）都是由硅或碳等原子以規(guī)則的模式（如小網(wǎng)格或網(wǎng)狀）連接在一起構(gòu)成的。迄今為止，科學(xué)家們還很難利用層析成像技術(shù)近距離觀察這些結(jié)構(gòu)。

王斌和內(nèi)森·布魯克斯于2023年從JILA獲得博士學(xué)位，他們是這項(xiàng)新研究的第一作者。

默南表示，這項(xiàng)研究突破了顯微鏡的基本極限，由于光的物理學(xué)原理，使用透鏡的成像工具只能看到約200納米的世界，無(wú)法捕捉到更小的東西，如病毒?？茖W(xué)家們可以通過(guò)功能強(qiáng)大的低溫電子顯微鏡來(lái)冷凍和殺死病毒，但還不能實(shí)時(shí)捕捉這些病原體的活動(dòng)。21世紀(jì)初開創(chuàng)的層析技術(shù)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(xué)家們想要收集一個(gè)非常小的結(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行多次掃描。當(dāng)光線照射到“C”和“U”（這里指木偶）時(shí)，光束會(huì)破裂散射，產(chǎn)生復(fù)雜的圖案（陰影）?？茖W(xué)家利用靈敏的探測(cè)器記錄下這些圖案，然后用一系列數(shù)學(xué)公式進(jìn)行分析。默南解釋道，只要有足夠的時(shí)間，他們就能完全根據(jù)投射出的陰影重現(xiàn)字母的形狀。

默南說(shuō)：“我們不使用鏡頭來(lái)獲取圖像，而是使用算法?！?/p>

她和她的同事以前曾用這種方法觀察過(guò)字母或星星等亞顯微形狀。但這種方法對(duì)硅或碳網(wǎng)格等重復(fù)結(jié)構(gòu)不起作用。舉例來(lái)說(shuō)，如果用一束規(guī)則的激光照射具有這種規(guī)則性的半導(dǎo)體，通常會(huì)產(chǎn)生一種均勻得令人難以置信的散射圖案，縱橫交錯(cuò)的算法很難理解那些沒有太多變化的圖案。近十年來(lái)，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著物理學(xué)家。

不過(guò)，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(lái)成像。相反，他們產(chǎn)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(dāng)這樣的漩渦光照射在一個(gè)平面上時(shí)，就會(huì)形成像甜甜圈一樣的形狀）。研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些光束在重復(fù)結(jié)構(gòu)上反彈時(shí)，它們能產(chǎn)生比普通激光復(fù)雜得多的成像。

為了測(cè)試這種新方法，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)碳原子網(wǎng)，其中一個(gè)環(huán)節(jié)上有一個(gè)微小的缺口。該研究小組能夠精確地發(fā)現(xiàn)這一缺陷，這是其他圖案工具所不具備的。

展望未來(lái)，她的團(tuán)隊(duì)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(xì)胞的運(yùn)作。（綜合整理報(bào)道）（策劃/羅媛）