Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder han avanzado en el campo de la tomografía innovando un nuevo método de obtención de imágenes que utiliza un haz en forma de rosquilla. Esta técnica permite obtener imágenes detalladas de estructuras diminutas con patrones regulares, como los semiconductores, superando las limitaciones de los microscopios tradicionales. Se espera que este avance mejore significativamente la nanoelectrónica y la bioimagen.
En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Colorado Boulder utilizaron un haz de luz en forma de rosquilla para capturar imágenes detalladas de objetos diminutos que no se pueden ver con los microscopios tradicionales.
La nueva tecnología podría ayudar a los científicos a mejorar el funcionamiento interno de una variedad de "nanoelectrónica", incluidos los diminutos semiconductores que se encuentran en los chips de computadora. El descubrimiento se destacó en el número especial "Optics in 2023" de Optics & Photonics News publicado el 1 de diciembre.
Esta investigación es el último avance en el campo de la "pticografía". La "pticografía" es una técnica difícil de pronunciar (la "p" no dice nada), pero poderosa para observar cosas muy pequeñas. A diferencia de los microscopios tradicionales, las herramientas de pticografía no observan directamente objetos pequeños. En lugar de ello, enfocan un láser sobre un objetivo y luego miden cómo se dispersa la luz, un poco como la técnica microscópica de crear marionetas de sombras en una pared.
Margaret Murnane, autora principal del estudio y profesora distinguida de Física, dijo que hasta ahora este enfoque ha funcionado muy bien, con una excepción importante.
"Hasta hace poco, este método fallaba por completo en el caso de muestras muy periódicas u objetos con patrones que se repetían regularmente", afirmó el investigador del JILA, un instituto de investigación conjunto de la Universidad de Colorado Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). "Esto es un problema porque entre ellos se incluyen muchos dispositivos nanoelectrónicos".
Señaló que muchas tecnologías importantes, como algunos semiconductores, están hechas de átomos como el silicio o el carbono unidos entre sí en patrones regulares, como pequeñas rejillas o mallas. Hasta ahora, los científicos han tenido dificultades para observar estas estructuras de cerca mediante técnicas de tomografía.
Sin embargo, en este nuevo estudio, Murnane y sus colegas encontraron una solución. En lugar de utilizar un láser tradicional en un microscopio, crearon un haz de luz ultravioleta extrema en forma de rosquilla.
El nuevo método del equipo puede recopilar imágenes precisas de estructuras diminutas y delicadas con dimensiones que oscilan entre 10 y 100 nanómetros, muchas veces más pequeñas que una millonésima de pulgada. En el futuro, los investigadores esperan hacer zoom para observar estructuras más pequeñas. En el proceso, los haces en forma de rosquilla o los haces de momento angular óptico tampoco dañan los componentes electrónicos diminutos, como a veces lo hacen algunas herramientas de obtención de imágenes existentes, como los microscopios electrónicos.
"En el futuro, este método podría utilizarse para inspeccionar los polímeros utilizados para fabricar e imprimir semiconductores en busca de defectos sin dañar estas estructuras en el proceso", dijo Murnane.
Bin Wang y Nathan Brooks, que recibieron su doctorado en JILA en 2023, son los primeros autores del nuevo estudio.
Murnane dijo que la investigación supera un límite fundamental de la microscopía: debido a la física de la luz, las herramientas de imágenes que utilizan lentes sólo pueden ver unos 200 nanómetros del mundo, lo que no es lo suficientemente preciso para capturar muchos virus que infectan a los humanos. Los científicos pueden congelar y matar virus con una poderosa microscopía crioelectrónica, pero aún no pueden capturar la actividad de estos patógenos en tiempo real. Las técnicas de cromatografía iniciadas a mediados de la década de 2000 podrían ayudar a los investigadores a superar esta limitación.
El principio es similar al de las marionetas de sombras. Imaginemos que los científicos quisieran recopilar una imagen en capas de una estructura muy pequeña, tal vez las letras que forman "CU". Para ello, primero iluminaron las letras con un rayo láser y las escanearon varias veces. Cuando la luz incide en "C" y "U" (en este caso, las marionetas), los rayos se rompen y se dispersan, creando patrones complejos (sombras). Los científicos utilizan detectores sensibles para registrar estos patrones y luego analizarlos mediante una serie de fórmulas matemáticas. Con suficiente tiempo, explica Mulnane, pudieron recrear la forma de las letras basándose completamente en las sombras que proyectaban.
"No utilizamos lentes para adquirir imágenes, utilizamos algoritmos", dijo Murnane.
Ella y sus colegas ya habían utilizado este método para observar formas submicroscópicas como letras o estrellas. Pero este enfoque no funciona para estructuras repetidas como las rejillas de silicio o carbono. Por ejemplo, si golpea un semiconductor con tanta regularidad con un rayo regular de luz láser, generalmente producirá un patrón de dispersión increíblemente uniforme; un patrón que no tiene mucha variación es difícil de entender para los algoritmos de entrecruzamiento. Esta pregunta ha desconcertado a los físicos durante casi una década.
Para probar su nuevo método, los investigadores crearon una red de átomos de carbono con un pequeño defecto en un enlace, vistos usando un haz en forma de rosquilla (izquierda) y usando un láser convencional (centro y derecha). Fuente de la imagen: Wang et al., 2023, Optica
Sin embargo, en el nuevo estudio, Murnane y sus colegas decidieron probar algo diferente. No utilizaron láseres normales para hacer los títeres de sombras. En cambio, generaron un haz de luz ultravioleta extrema y luego utilizaron un dispositivo llamado placa de fase espiral para girar el haz en una espiral o vórtice. (Cuando esa luz arremolinada brilla sobre una superficie plana, forma una forma de rosquilla). . El equipo descubrió que cuando estos rayos rebotan en estructuras repetidas, pueden crear juegos de sombras que son mucho más complejos que los láseres comunes.
Para probar el nuevo método, los investigadores crearon una red de átomos de carbono con un pequeño espacio en uno de los enlaces. El equipo de investigación pudo detectar este defecto con una precisión que otras herramientas de creación de patrones no pueden.
En el futuro, su equipo espera hacer que su estrategia de donut sea aún más precisa, permitiéndoles observar objetos más pequeños y frágiles, incluido algún día observar el funcionamiento de las células biológicas vivas.
Compilado de: ScitechDaily