Os pesquisadores da CU Boulder inovaram em um novo método de imagem usando feixes de luz em forma de rosca, avançando no campo da pticografia. Esta técnica permite imagens detalhadas de estruturas minúsculas e padronizadas regularmente, como semicondutores, superando as limitações anteriores da microscopia tradicional. Este avanço promete melhorias significativas em nanoeletrônica e imagens biológicas. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Em um novo estudo, pesquisadores da CU Boulder usaram feixes de luz em forma de rosca para obter imagens detalhadas de objetos pequenos demais para serem visualizados com microscópios tradicionais.
Avanços em imagens nanoeletrônicas
A nova técnica poderia ajudar os cientistas a melhorar o funcionamento interno de uma série de “nanoeletrônica”, incluindo a miniatura semicondutores em chips de computador. A descoberta foi destacada no dia 1º de dezembro em uma edição especial da Notícias sobre óptica e fotônica chamado Óptica em 2023.
Pticografia: uma lente para o mundo microscópico
A pesquisa é o mais recente avanço no campo da pticografia, uma técnica difícil de pronunciar (o “p” é silencioso), mas poderosa para visualizar coisas muito pequenas. Ao contrário dos microscópios tradicionais, as ferramentas de pticografia não visualizam diretamente pequenos objetos. Em vez disso, eles direcionam lasers para um alvo e depois medem como a luz se espalha – um pouco como o equivalente microscópico de fazer fantoches de sombra na parede.
Padrão de dispersão produzido por feixes de luz em forma de rosca refletidos em um objeto com uma estrutura que se repete regularmente. Crédito: Wang, et al., 2023, ÓPTICO
Superando o Desafio da Pticografia
Até agora, a abordagem funcionou notavelmente bem, com uma grande exceção, disse a autora sênior do estudo e ilustre professora de física, Margaret Murnane.
“Até recentemente, falhou completamente para amostras altamente periódicas, ou objetos com um padrão que se repete regularmente”, disse Murnane, membro do JILA, um instituto de pesquisa conjunto da CU Boulder e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). “É um problema porque inclui muita nanoeletrônica.”
Ela observou que muitas tecnologias importantes, como alguns semicondutores, são compostas de átomos como o silício ou o carbono unidos em padrões regulares, como uma pequena grade ou malha. Até o momento, essas estruturas têm se mostrado difíceis de serem visualizadas de perto pelos cientistas usando a pticografia.
Feixes de luz em forma de rosca se espalham por uma estrutura incrivelmente pequena. Crédito: Wang, et al., 2023, ÓPTICO
Avanço com luz em formato de donut
No novo estudo, porém, Murnane e seus colegas encontraram uma solução. Em vez de usar lasers tradicionais em seus microscópios, eles produziram feixes de luz ultravioleta extrema em forma de donuts.
A nova abordagem da equipe pode coletar imagens precisas de estruturas minúsculas e delicadas com aproximadamente 10 a 100 nanômetros de tamanho, ou muitas vezes menores que um milionésimo de polegada. No futuro, os pesquisadores esperam aumentar o zoom para visualizar estruturas ainda menores. Os feixes de rosca, ou momento angular óptico, também não prejudicam pequenos componentes eletrônicos no processo – como algumas ferramentas de imagem existentes, como microscópios eletrônicos, às vezes podem.
“No futuro, este método poderá ser usado para inspecionar os polímeros usados para fabricar e imprimir semicondutores em busca de defeitos, sem danificar essas estruturas no processo”, disse Murnane.
Bin Wang e Nathan Brooks, que obtiveram seu doutorado pela JILA em 2023, foram os primeiros autores do novo estudo.
Ultrapassando os limites dos microscópios
A pesquisa, disse Murnane, ultrapassa os limites fundamentais dos microscópios: devido à física da luz, as ferramentas de imagem que usam lentes só podem ver o mundo com uma resolução de cerca de 200 nanômetros – o que não é preciso o suficiente para capturar muitos dos vírus. , por exemplo, que infectam humanos. Os cientistas podem congelar e matar vírus para visualizá-los com poderosos microscópios crioeletrônicos, mas ainda não conseguem capturar esses patógenos em ação e em tempo real.
A pticografia, que foi pioneira em meados dos anos 2000, poderia ajudar os pesquisadores a ultrapassar esse limite.
A Mecânica da Pticografia
Para entender como, volte àqueles fantoches de sombra. Imagine que os cientistas queiram recolher uma imagem picográfica de uma estrutura muito pequena, talvez letras soletrando “CU”. Para fazer isso, eles primeiro disparam um feixe de laser nas letras, escaneando-as várias vezes. Quando a luz atinge o “C” e o “U” (neste caso, os bonecos), o feixe se quebra e se espalha, produzindo um padrão complexo (as sombras). Empregando detectores sensíveis, os cientistas registram esses padrões e depois os analisam com uma série de equações matemáticas. Com tempo suficiente, explicou Murnane, eles recriam a forma de seus bonecos inteiramente a partir das sombras que projetam.
“Em vez de usar lentes para recuperar a imagem, usamos algoritmos”, disse Murnane.
Ela e seus colegas já usaram essa abordagem para visualizar formas submicroscópicas, como letras ou estrelas.
Mas a abordagem não funcionará com estruturas repetidas como as redes de silício ou carbono. Se você direcionar um feixe de laser regular em um semicondutor com tanta regularidade, por exemplo, ele frequentemente produzirá um padrão de dispersão que é incrivelmente uniforme – algoritmos picográficos lutam para dar sentido a padrões que não apresentam muita variação neles.
O problema deixou os físicos coçando a cabeça por quase uma década.
Para testar a sua nova abordagem, os investigadores produziram uma malha de átomos de carbono com um pequeno defeito numa das ligações, vista aqui utilizando um feixe em forma de rosca, painel esquerdo, e lasers tradicionais, central e direito. Crédito: Wang, et al., 2023, ÓPTICO
Microscopia de Rosquinha
No novo estudo, porém, Murnane e seus colegas decidiram tentar algo diferente. Eles não faziam seus fantoches de sombra usando lasers comuns. Em vez disso, eles geraram feixes de luz ultravioleta extrema e, em seguida, empregaram um dispositivo chamado placa de fase espiral para torcer esses feixes na forma de um saca-rolhas, ou vórtice. (Quando esse vórtice de luz brilha sobre uma superfície plana, ele tem a forma de um donut.)
As vigas de donut não tinham esmalte rosa ou granulado, mas funcionaram. A equipe descobriu que quando esses tipos de feixes refletiam em estruturas repetidas, eles criavam bonecos de sombras muito mais complexos do que os lasers normais.
Para testar a nova abordagem, os investigadores criaram uma malha de átomos de carbono com um pequeno encaixe numa das ligações. O grupo conseguiu detectar esse defeito com uma precisão não vista em outras ferramentas pticográficas.
“Se você tentasse obter imagens da mesma coisa em um microscópio eletrônico de varredura, danificaria ainda mais”, disse Murnane.
Avançando em direção a detalhes mais sutis
No futuro, a sua equipa pretende tornar a sua estratégia de donuts ainda mais precisa, permitindo-lhes visualizar objetos mais pequenos e ainda mais frágeis – incluindo, um dia, o funcionamento de células biológicas vivas.
Referência: “Imagens pticográficas de alta fidelidade de estruturas altamente periódicas habilitadas por feixes de vórtices altamente harmônicos” por Michael Tanksalvala, Henry C. Kapteyn, Bin Wang, Peter Johnsen, Yuka Esashi, Iona Binnie, Margaret M. Murnane, Nicholas W. Jenkins e Nathan J. Brooks, 19 de setembro de 2023, ÓPTICO.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.498619
Outros co-autores do novo estudo incluem Henry Kapteyn, professor de física e membro da JILA, e os atuais e ex-alunos de pós-graduação da JILA Peter Johnsen, Nicholas Jenkins, Yuka Esashi, Iona Binnie e Michael Tanksalvala.
