Una nuova frontiera nell’imaging: i fasci di luce a forma di ciambella
Un gruppo di ricercatori dell’Università del Colorado a Boulder ha sviluppato un metodo di imaging rivoluzionario che utilizza fasci di luce a forma di ciambella, portando avanti il campo della ptychografia. Questa tecnica consente di ottenere immagini dettagliate di strutture minuscole e regolarmente patternate, come i semiconduttori, superando i limiti delle tecniche microscopiche tradizionali. Questo progresso promette miglioramenti significativi nella nanoelettronica e nell’imaging biologico.
Progressi nell’imaging della nanoelettronica
Una nuova tecnica per i nanoelettronici
La nuova tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a migliorare il funzionamento interno di una gamma di ”nanoelettronici”, inclusi i semiconduttori miniaturizzati nei chip dei computer. La scoperta è stata evidenziata il 1° dicembre in un numero speciale di Optics & Photonics News intitolato Optics in 2023.
Ptychografia: una lente nel mondo microscopico
La ricerca rappresenta l’ultimo avanzamento nel campo della ptychografia, una tecnica difficile da pronunciare (la “p” è muta) ma potente per visualizzare oggetti molto piccoli. A differenza dei microscopi tradizionali, gli strumenti ptychografici non osservano direttamente piccoli oggetti. Invece, illuminano un bersaglio con laser, quindi misurano come la luce si disperde, un po’ come l’equivalente microscopico di fare ombre cinesi su un muro.
Superare la sfida della Ptychografia
La sfida della ptychografia
Finora, l’approccio ha funzionato notevolmente bene, con una grande eccezione, ha detto l’autore senior dello studio e professore distinto di fisica Margaret Murnane. “Fino a poco tempo fa, ha completamente fallito per campioni altamente periodici, o oggetti con un pattern regolarmente ripetuto”, ha detto Murnane, membro di JILA, un istituto di ricerca congiunto dell’Università del Colorado a Boulder e del National Institute of Standards and Technology (NIST). “È un problema perché ciò include molti nanoelettronici.”
La svolta con la luce a forma di ciambella
Nel nuovo studio, tuttavia, Murnane e i suoi colleghi hanno trovato una soluzione. Invece di utilizzare laser tradizionali nei loro microscopi, hanno prodotto fasci di luce ultravioletta estrema a forma di ciambella. Il team ha scoperto che questi fasci di luce non danneggiano i minuscoli elettronici nel processo, come talvolta possono fare altri strumenti di imaging, come i microscopi elettronici.
Spingere i limiti dei microscopi
La ricerca, ha detto Murnane, spinge i limiti fondamentali dei microscopi: a causa della fisica della luce, gli strumenti di imaging che utilizzano lenti possono vedere il mondo solo fino a una risoluzione di circa 200 nanometri, il che non è abbastanza preciso per catturare molti dei virus, ad esempio, che infettano gli esseri umani. Gli scienziati possono congelare e uccidere i virus per visualizzarli con potenti microscopi crioelettronici, ma non possono ancora catturare questi patogeni in azione e in tempo reale.
La meccanica della Ptychografia
Per capire come, torniamo a quelle ombre cinesi. Immagina che gli scienziati vogliano raccogliere un’immagine ptychografica di una struttura molto piccola, magari le lettere che compongono “CU”. Per fare ciò, prima colpiscono le lettere con un fascio laser, scandendole più volte. Quando la luce colpisce il “C” e il “U” (in questo caso, le ombre), il fascio si spezzerà e si disperderà, producendo un pattern complesso. Utilizzando rilevatori sensibili, gli scienziati registrano quei pattern, poi li analizzano con una serie di equazioni matematiche. Con abbastanza tempo, Murnane ha spiegato, riescono a ricreare la forma delle loro ombre interamente dalle ombre che proiettano.
Il problema ha lasciato i fisici perplessi per quasi un decennio. Tuttavia, nel nuovo studio, Murnane e i suoi colleghi hanno deciso di provare qualcosa di diverso. Non hanno creato le loro ombre cinesi usando laser regolari. Invece, hanno generato fasci di luce ultravioletta estrema, poi hanno impiegato un dispositivo chiamato piastra a fase spirale per torcere quei fasci nella forma di una vite, o vortice. (Quando un tale vortice di luce illumina una superficie piatta, crea una forma simile a una ciambella.)
Per testare il nuovo approccio, i ricercatori hanno creato una rete di atomi di carbonio con un piccolo difetto in uno dei collegamenti. Il gruppo è stato in grado di individuare quel difetto con una precisione non vista in altri strumenti ptychografici. “Se provassi a immaginare la stessa cosa in un microscopio elettronico a scansione, lo danneggeresti ancora di più”, ha detto Murnane.
Andando avanti, il suo team vuole rendere la loro strategia della ciambella ancora più precisa, consentendo loro di visualizzare oggetti più piccoli e ancora più fragili, inclusi, un giorno, i meccanismi delle cellule biologiche viventi.
