甜甜圈激光束帮助物理学家观察微小物体

近日，美国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，拍摄出传统显微镜无法观察到的微小物体的详细图像。研究人员表示，这项新技术可以帮助科学家改进包括计算机芯片在内的一系列纳米电子器件的内部结构。这项研究成果发表在《光学》（Optica）杂志上。

这项研究是层析成像领域的最新进展，层析成像被描述为观察极小物体的强大技术。与传统显微镜不同，层析成像工具并不直接观察小物体。相反，它们将激光对准目标，然后测量其散射情况。

该研究的资深作者、物理学特聘教授Margaret 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。Murnane表示：直到最近，这种方法在处理高周期性样品或具有有规律重复模式的物体时都完全失败了。这是一个问题，因为其中包括很多纳米电子器件。

甜甜圈光束从一个微小结构散射开来

她说，许多重要的技术如某些半导体，都是由硅或碳等原子以规则的模式连接在一起构成的。迄今为止，科学家们还很难使用层析成像技术近距离观察这些结构。

不过在这项新研究中，Murnane教授和她的同事们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束，而是产生了甜甜圈状的极紫外线光束。研究小组的这种新方法可以收集到大约10-100纳米大小的微小精细结构的精确图像。

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干扰敏感的电子元件。现有的一些成像工具如电子显微镜，有时就会这样。Murnane教授说：这种方法可用于检测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。Bin Wang和Nathan Brooks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教授说，这项研究突破了显微镜的基本极限。由于光的物理学原理，使用透镜的成像工具只能看到约200纳米分辨率的世界。科学家们可以冷冻并杀死病毒，用功能强大的冷冻电子显微镜来观察它们，但还不能实时捕捉这些病原体。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。

为了测试新方法，研究人员制作了一个碳原子网状结构，其中一个环节存在小缺陷

甜甜圈显微镜
在这项新研究中，Murnane教授和她的同事产生了极紫外线光束，然后利用螺旋相位板将这些光束扭曲成漩涡形状；当这样的光漩涡照射在平面上时，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，它们会产生比普通激光复杂得多的“影子木偶”。为了测试这种新方法，研究人员创建了一个碳原子网，在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，而这在其他拼图工具中是无法看到的。

Murnane教授谈到：如果试图用扫描电子显微镜对同样的东西进行成像，会进一步损坏观察对象。展望未来，她的团队希望让甜甜圈激光束可以更加精确，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。