Проф. Стефан Эйсебитт, возглавляющий подразделение нанометров и рентгеновской оптики в Техническом университете Берлина и объединенную исследовательскую группу по функциональным наноструктурам в Гельмгольц-центре Берлина (HZB), объясняет: «Так же, как светосильный объектив на камере позволяет вам получить четкое изображение даже в условиях слабого освещения, наш оптический элемент позволяет более эффективно использовать рентгеновский свет. В то же время мы прочно соединили эту рентгеновскую линзу с объектом, который нужно отобразить, так что вибрации больше не оказывают пагубного влияния, а изображение стабилизируется."Как следствие, изображение малоконтрастных или движущихся нанообъектов может быть заметно лучше.
Для рентгеновской голографии вам нужен когерентный свет – свет, электромагнитные волны которого колеблются синхронно.
Это свет, излучаемый лазерами или синхротронными источниками, такими как BESSY II. В голографическом процессе, используемом здесь, часть рентгеновского света падает на объект, а часть его проходит через отверстие-точечное отверстие, расположенное сбоку от объекта, чтобы создать опорную волну.
Голограмма формируется путем наложения двух волн и регистрации результата детектором. Голографическое изображение освещенного объекта затем восстанавливается на компьютере. Однако подход с точечной апертурой имеет недостаток. Чтобы получить резкое изображение, диафрагма должна быть очень маленькой, поэтому пропускает слишком мало света для создания хорошего изображения от малоконтрастных объектов или при коротком времени экспозиции – дилемма.
Оптический элемент увеличивает яркость
Физики, работающие с Эйсебитом, нашли решение, используя оптический элемент, известный как зонная пластина Френеля.
Он размещается в плоскости самого объекта в качестве замены апертуры точечного отверстия и значительно увеличивает яркость опорной волны. Однако фокус этого оптического элемента не находится в плоскости объекта (в отличие от апертуры точечного отверстия), поэтому изображение оказывается не в фокусе.
Однако, в отличие от фотографии, это размытие изображения можно точно скорректировать с помощью информации, хранящейся в голограмме. Благодаря эффективности метода время экспозиции может быть значительно сокращено, что позволяет изучать быстрые динамические процессы.
Тестовые объекты для измерения разрешения
Ph.D. Студент Ян Гейлхуфе разработал эту идею и реализовал ее.
Именно он представил образ ящерицы как филигранный тестовый объект. Его контур был уменьшен в 10 000 раз и перенесен на золотую фольгу. «Для нас было важно найти тестовый объект с некоторой оригинальностью, чтобы продемонстрировать, насколько хорошо работает метод», – говорит Гейлхуфе.
Морская ракушка в центре тестового объекта отображает часть так называемой звезды Сименса, тестового шаблона, используемого для определения пространственного разрешения. Подобно тому, как сходящиеся лучи звезды Сименса можно использовать для измерения того, насколько хорошо узкие линии будут воспроизводиться на изображении, вы также можете использовать хвост ящерицы. Имея диаметр в шесть тысячных миллиметра, весь тестовый объект размером с эритроцит. Наименьшая разрешенная структура имеет ширину не более 46 нанометров.
Рентгеновская камера со стабилизатором изображения
Хорошо известная проблема дрожания из-за вибрации объекта относительно оптики становится все более серьезной при более высоком разрешении оптической системы. "В текущих исследованиях рентгеновских изображений высокого разрешения целью является разрешение менее десяти нанометров. Это расстояние крошечное – меньше, чем цепочка из ста отдельных атомов. По этой причине заметны даже самые незначительные колебания.
Трамвай, проезжающий в километре от отеля, может доставлять неудобства ", – говорит Гейлхуфе. «В нашем процессе мы прочно соединили объект с эталонной оптикой, чтобы линза колебалась точно синхронно с объектом. Мы построили рентгеновскую камеру со стабилизатором изображения, так сказать."
Новый метод будет реализован на BESSY II как часть инструмента RICXS
Работа публикуется сегодня в Nature Communications.
Повышение эффективности визуализации и, как следствие, возможности для улучшения пространственного и временного разрешения обещают новое понимание динамических наноразмерных процессов, таких как самое быстрое магнитное переключение в хранилище данных. «Мы надеемся, что наш подход будет полезен для многих областей исследований и внесет вклад в понимание мира в нанометровом масштабе», – говорит Айсебитт. Он и его команда с нетерпением ждут возможности предложить свою новую голографическую технику исследователям со всего мира на BESSY II как часть инструмента RICXS.