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www.196nk.cn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。12 月 1 日出版的《光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News）特刊《2023 年的光学》（Optics in 2023）重点介绍了这一发现。

这项研究是"ptychography"领域的最新进展。"ptychography"是一种难以发音（"p"不发音）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，ptychography 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。

甜甜圈形光束从具有规则重复结构的物体上反弹产生的散射图案。图片来源：Wang 等人，2023 年，Optica

该研究的资深作者、物理学特聘教授玛格丽特-默南（Marga196世界之最ret Murnane）说，到目前为止，这种方法的效果非常好，但有一个重大例外。

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 的研究员说："直到最近，这种方法对于高周期196世界之最性样品或具有有规律重196世界之最复图案的物体完全失效。这是一个问题，因为其中包括很多纳米电子器件。"

她指出，许多重要技术（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。

圆环状光束从一个极其微小的结构散射开来。图片来源：Wang 等人，2023 年，Optica

然而，在这项新研究中，Murnane 和她的同事想出了一个解决方案。他们没有在显微镜中使用传统的激光，而是制造出了甜甜圈形状的极紫外线光束。

该团队的新方法可以收集到微小而精细的结构的精确图像，这些结构的尺寸大约在 10 到 100 纳米之间，比一英寸的百万分之一还要小很多倍。未来，研究人员有望放大观察更小的结构。在此过程中，甜甜圈光束或光学角动量光束也不会伤害到微小的电子元件--现有的一些成像工具，如电子显微镜，有时就会伤害到它们。

Murnane说："未来，这种方法可用于检查用于制造和打印半导体的聚合物是否存在缺陷，而不会在此过程中损坏这些结构。"

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。

Murnane说，这项研究突破了显微镜的基本极限： 由于光的物理学原理，196世界之最使用透镜的成像工具只能看到约200纳米的世界 - 这还不够精确，无法捕捉到许多感染人类的病毒。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。2000 年代中期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。穆尔纳恩解释说，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。

穆尔南说："我们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。

为了测试他们的新方法，研究人员制作了一个碳原子网，其中一个环节有一个小缺陷，左图为使用甜甜圈形光束观察，中图和右图为使用传统激光观察。图片来源：Wang 等人，2023 年，Optica

不过，在新的研究中，Murnane 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制作皮影。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皮影戏。

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--包括有朝一日观察活的生物细胞的运作。

编译自：ScitechDaily