طور الباحثون في جامعة كولورادو بولدر مجال التصوير المقطعي من خلال ابتكار طريقة تصوير جديدة باستخدام شعاع على شكل كعكة دونات. تتيح هذه التقنية تصويرًا تفصيليًا لهياكل صغيرة منقوشة بانتظام، مثل أشباه الموصلات، مما يتغلب على قيود المجاهر التقليدية. ومن المتوقع أن يؤدي هذا التقدم إلى تحسين الإلكترونيات النانوية والتصوير الحيوي بشكل كبير.
في دراسة جديدة، استخدم الباحثون في جامعة كولورادو بولدر شعاعًا ضوئيًا على شكل كعكة دائرية لالتقاط صور تفصيلية لأشياء صغيرة لا يمكن رؤيتها بالمجاهر التقليدية.
يمكن أن تساعد التكنولوجيا الجديدة العلماء على تحسين الأعمال الداخلية لمجموعة من "الإلكترونيات النانوية"، بما في ذلك أشباه الموصلات الصغيرة الموجودة في رقائق الكمبيوتر. وقد تم تسليط الضوء على هذا الاكتشاف في العدد الخاص "البصريات في 2023" من مجلة Optics & Photonics News الذي نشر في الأول من ديسمبر.
يعد هذا البحث أحدث التطورات في مجال "التيكوغرافيا". "ptychography" هي كلمة يصعب نطقها (حرف "p" صامت) ولكنها تقنية قوية لمراقبة الأشياء الصغيرة جدًا. على عكس المجاهر التقليدية، فإن أدوات التيكوغرافيا لا تراقب الأجسام الصغيرة بشكل مباشر. وبدلاً من ذلك، يقومون بتسليط الليزر على الهدف ثم قياس كيفية تشتت الضوء - يشبه إلى حد ما التقنية المجهرية لإنشاء دمى الظل على الحائط.
وقالت مارغريت مورنان، كبيرة مؤلفي الدراسة وأستاذ الفيزياء المتميز، إن هذا النهج نجح حتى الآن بشكل جيد للغاية، مع استثناء رئيسي واحد.
وقال الباحث في JILA، وهو معهد أبحاث مشترك بجامعة كولورادو بولدر والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST): "حتى وقت قريب، فشلت هذه الطريقة تمامًا بالنسبة للعينات أو الأجسام الدورية للغاية ذات الأنماط المتكررة بانتظام". "هذه مشكلة لأنها تشمل العديد من الأجهزة الإلكترونية النانوية."
وأشارت إلى أن العديد من التقنيات المهمة، مثل بعض أشباه الموصلات، مصنوعة من ذرات مثل السيليكون أو الكربون المرتبطة ببعضها البعض بأنماط منتظمة، مثل الشبكات الصغيرة أو الشبكات. وحتى الآن، واجه العلماء صعوبة في مراقبة هذه الهياكل عن قرب باستخدام تقنيات التصوير المقطعي.
لكن في هذه الدراسة الجديدة، توصلت مورنان وزملاؤها إلى حل. فبدلاً من استخدام الليزر التقليدي في المجهر، قاموا بإنشاء شعاع على شكل كعكة من الأشعة فوق البنفسجية الشديدة.
يمكن لطريقة الفريق الجديدة جمع صور دقيقة لهياكل صغيرة وحساسة بأبعاد تتراوح من حوالي 10 إلى 100 نانومتر، أي أصغر بعدة مرات من جزء من المليون من البوصة. وفي المستقبل، يأمل الباحثون في تكبير الصورة لمراقبة الهياكل الأصغر حجمًا. وفي هذه العملية، لا تؤذي الحزم الدائرية أو حزم الزخم الزاوي البصرية المكونات الإلكترونية الصغيرة - كما تفعل بعض أدوات التصوير الموجودة، مثل المجاهر الإلكترونية، في بعض الأحيان.
وقال مورنان: "في المستقبل، يمكن استخدام هذه الطريقة لفحص البوليمرات المستخدمة في تصنيع وطباعة أشباه الموصلات بحثًا عن العيوب دون الإضرار بهذه الهياكل في العملية".
بن وانغ وناثان بروكس، اللذان حصلا على درجة الدكتوراه من JILA في عام 2023، هما المؤلفان الأوائل للدراسة الجديدة.
وقال مورنان إن البحث يدفع إلى حد أساسي للفحص المجهري: نظرًا لفيزياء الضوء، فإن أدوات التصوير التي تستخدم العدسات يمكنها رؤية حوالي 200 نانومتر فقط من العالم - وهي ليست دقيقة بما يكفي لالتقاط العديد من الفيروسات التي تصيب البشر. يمكن للعلماء تجميد الفيروسات وقتلها باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد القوي، لكنهم لا يستطيعون بعد التقاط نشاط مسببات الأمراض هذه في الوقت الفعلي. يمكن لتقنيات الفصل اللوني التي ظهرت في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أن تساعد الباحثين في التغلب على هذا القيد.
المبدأ مشابه لدمى الظل. تخيل أن العلماء أرادوا جمع صورة متعددة الطبقات لبنية صغيرة جدًا، ربما الحروف التي تنطق "CU". وللقيام بذلك، قاموا أولاً بإضاءة الحروف باستخدام شعاع الليزر، ثم قاموا بمسحها عدة مرات. عندما يضرب الضوء "C" و"U" (في هذه الحالة، الدمى)، تتفكك الحزم وتنتشر، مما يخلق أنماطًا معقدة (ظلال). يستخدم العلماء أجهزة كشف حساسة لتسجيل هذه الأنماط ومن ثم تحليلها باستخدام سلسلة من الصيغ الرياضية. ويوضح مولنان أنه مع مرور الوقت الكافي، تمكنوا من إعادة إنشاء شكل الحروف بالكامل بناءً على الظلال التي ألقتها.
وقال مورنان: "نحن لا نستخدم العدسات للحصول على الصور، بل نستخدم الخوارزميات".
وقد استخدمت هي وزملاؤها هذه الطريقة سابقًا لمراقبة الأشكال دون المجهرية، مثل الحروف أو النجوم. لكن هذا النهج لا يعمل مع الهياكل المتكررة مثل شبكات السيليكون أو الكربون. على سبيل المثال، إذا ضربت شبه موصل بهذا الانتظام بشعاع منتظم من ضوء الليزر، فعادةً ما ينتج عنه نمط تشتت موحد بشكل لا يصدق - وهو نمط لا يحتوي على الكثير من التنوع يصعب على الخوارزميات المتقاطعة فهمه. لقد حير هذا السؤال الفيزيائيين لما يقرب من عقد من الزمن.
ولاختبار طريقتهم الجديدة، أنشأ الباحثون شبكة من ذرات الكربون بها عيب صغير في إحدى الروابط، وتم عرضها باستخدام شعاع على شكل كعكة دائرية (يسار) وباستخدام ليزر تقليدي (الأوسط والأيمن). مصدر الصورة: وانغ وآخرون، 2023، أوبتيكا
لكن في الدراسة الجديدة، قررت مورنان وزملاؤها تجربة شيء مختلف. لم يستخدموا الليزر العادي لصنع دمى الظل. وبدلاً من ذلك، قاموا بتوليد شعاع من الضوء فوق البنفسجي الشديد ثم استخدموا جهازًا يسمى لوحة الطور الحلزونية لتحريف الشعاع إلى حلزوني، أو دوامة. (عندما يسلط هذا الضوء الدوامي على سطح مستو، فإنه يشكل شكلاً يشبه الدونات). . ووجد الفريق أنه عندما ترتد هذه الحزم عن الهياكل المتكررة، فإنها يمكن أن تخلق مسرحيات ظل أكثر تعقيدًا بكثير من أشعة الليزر العادية.
ولاختبار الطريقة الجديدة، أنشأ الباحثون شبكة من ذرات الكربون مع وجود فجوة صغيرة في إحدى الروابط. وتمكن فريق البحث من اكتشاف هذا الخلل بدقة لا تستطيع أدوات الزخرفة الأخرى اكتشافها.
للمضي قدمًا، يأمل فريقها في جعل استراتيجية الدونات أكثر دقة، مما يسمح لهم بمراقبة الأجسام الأصغر حجمًا والأكثر هشاشة، بما في ذلك مراقبة عمل الخلايا البيولوجية الحية يومًا ما.
تم التجميع من: سايتك ديلي