En un nuevo estudio publicado en Optica , investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han utilizado rayos de luz en forma de rosquilla para tomar imágenes detalladas de objetos demasiado pequeños para verlos con microscopios tradicionales.
La nueva técnica podría ayudar a los científicos a mejorar el funcionamiento interno de una variedad de "nanoelectrónica", incluidos los semiconductores en miniatura en los chips de computadora. El descubrimiento también se destacó en un número especial de Optics &Photonics News.
La investigación es el último avance en el campo de la pticografía, una técnica difícil de pronunciar (la "p" no dice nada), pero poderosa para ver cosas muy pequeñas. A diferencia de los microscopios tradicionales, las herramientas de pticografía no ven directamente objetos pequeños. En lugar de ello, dirigen láseres hacia un objetivo y luego miden cómo se dispersa la luz, un poco como el equivalente microscópico de hacer marionetas de sombras en una pared.
Hasta ahora, el enfoque ha funcionado notablemente bien, con una excepción importante, dijo la autora principal del estudio y profesora distinguida de física Margaret Murnane.
"Hasta hace poco, ha fallado completamente en muestras u objetos altamente periódicos con un patrón que se repite regularmente", dijo Murnane, miembro de JILA, un instituto de investigación conjunto de CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). "Es un problema porque eso incluye mucha nanoelectrónica".
Señaló que muchas tecnologías importantes, como algunos semiconductores, están formadas por átomos como el silicio o el carbono unidos en patrones regulares como una rejilla o malla. Hasta la fecha, esas estructuras han resultado difíciles de ver de cerca para los científicos mediante pticografía.
Sin embargo, en el nuevo estudio, Murnane y sus colegas idearon una solución. En lugar de utilizar láseres tradicionales en sus microscopios, produjeron rayos de luz ultravioleta extrema en forma de rosquillas.
El novedoso enfoque del equipo puede recopilar imágenes precisas de estructuras diminutas y delicadas que tienen un tamaño aproximado de 10 a 100 nanómetros o muchas veces más pequeñas que una millonésima de pulgada. En el futuro, los investigadores esperan hacer zoom para ver estructuras aún más pequeñas. Los rayos de donut, o momento angular óptico, tampoco dañarán los pequeños componentes electrónicos en el proceso, como a veces pueden hacerlo algunas herramientas de imágenes existentes, como los microscopios electrónicos.
"En el futuro, este método podría usarse para inspeccionar los polímeros utilizados para fabricar e imprimir semiconductores en busca de defectos sin dañar esas estructuras en el proceso", afirmó Murnane.
La investigación, dijo Murnane, supera los límites fundamentales de los microscopios:debido a la física de la luz, las herramientas de imágenes que utilizan lentes sólo pueden ver el mundo con una resolución de unos 200 nanómetros, que no es lo suficientemente precisa para capturar muchos de los virus. , por ejemplo, que infectan a los humanos. Los científicos pueden congelar y matar virus para verlos con potentes microscopios crioelectrónicos, pero aún no pueden capturar estos patógenos en acción y en tiempo real.
La pticografía, que fue pionera a mediados de la década de 2000, podría ayudar a los investigadores a superar ese límite.
Para entender cómo, volvamos a esos títeres de sombras. Imagine que los científicos quieren recopilar una imagen ptográfica de una estructura muy pequeña, tal vez letras que deletrean "CU". Para hacer eso, primero lanzan un rayo láser a las letras y las escanean varias veces. Cuando la luz incide en la "C" y la "U" (en este caso, las marionetas), el haz se dividirá y se dispersará, produciendo un patrón complejo (las sombras). Empleando detectores sensibles, los científicos registran esos patrones y luego los analizan con una serie de ecuaciones matemáticas. Con suficiente tiempo, explicó Murnane, recrean completamente la forma de sus marionetas a partir de las sombras que proyectan.
"En lugar de utilizar una lente para recuperar la imagen, utilizamos algoritmos", afirmó Murnane.
Ella y sus colegas ya habían utilizado este método para observar formas submicroscópicas como letras o estrellas.
Pero el enfoque no funcionará con estructuras repetidas como esas rejillas de silicio o carbono. Si proyecta un rayo láser normal sobre un semiconductor con tanta regularidad, por ejemplo, a menudo producirá un patrón de dispersión que es increíblemente uniforme:los algoritmos ptográficos luchan por dar sentido a patrones que no tienen mucha variación.
El problema ha dejado a los físicos rascándose la cabeza durante casi una década.
Sin embargo, en el nuevo estudio, Murnane y sus colegas decidieron probar algo diferente. No hicieron sus títeres de sombras usando láseres normales. En cambio, generaron haces de luz ultravioleta extrema y luego emplearon un dispositivo llamado placa de fase en espiral para torcer esos haces en forma de sacacorchos o vórtice. (Cuando un vórtice de luz de este tipo brilla sobre una superficie plana, adquiere la forma de un donut).
Las vigas de donas no tenían glaseado rosa ni chispas, pero funcionaron. El equipo descubrió que cuando este tipo de rayos rebotaban en estructuras repetidas, creaban marionetas de sombras mucho más complejas que los láseres normales.
Para probar el nuevo enfoque, los investigadores crearon una malla de átomos de carbono con un pequeño chasquido en uno de los enlaces. El grupo pudo detectar ese defecto con una precisión que no se ve en otras herramientas ptográficas.
"Si intentaras visualizar lo mismo en un microscopio electrónico de barrido, lo dañarías aún más", afirmó Murnane.
En el futuro, su equipo quiere hacer que su estrategia de donut sea aún más precisa, permitiéndoles ver objetos más pequeños e incluso más frágiles, incluido, algún día, el funcionamiento de células biológicas vivas.
Más información: Bin Wang et al, Imágenes pticográficas de alta fidelidad de estructuras altamente periódicas habilitadas por haces de vórtices con altos armónicos, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.498619
Información de la revista: Óptica
Proporcionado por la Universidad de Colorado en Boulder
