Разработка первых простых микроскопов принесла огромный скачок в знаниях в области естественных наук. С тех пор для лучшего понимания процессов, происходящих в природе и технике, были разработаны методы визуализации с все более высоким пространственным разрешением и инструменты для все более быстрого наблюдения. В настоящее время различные методы позволяют заглянуть в наномир, где структуры имеют размер всего в одну миллионную долю миллиметра, и отследить процессы, охватывающие несколько пикосекунд (одну миллиардную тысячнуюсекунды). На берлинском кольце хранения электронов для синхротронного излучения (BESSY) впервые появилась возможность записать голограммы наноструктур с помощью рентгеновских лучей.
Ученые, работающие со Стефаном Эйзебиттом (BESSY) и Яном Люнингом из Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения (SSRL; США), разработали новую экспериментальную установку, с помощью которой они проанализировали магнитные домены кобальт-платиновой пленки в первый эксперимент с разрешением 50 нанометров. «Преимуществами нашего устройства являются простота настройки, нечувствительность к вибрациям во время измерения и очень экономичная конструкция.
Кроме того, голография на источниках синхротронного излучения, таких как BESSY II, может сочетаться со специальными механизмами спектроскопического контраста. Это позволяет, например, пространственно отображать распределение отдельных элементов в образце или модели намагниченности», - подчеркивает Стефан Эйзебитт. Таким образом, рентгеновская голография зарекомендовала себя как простой в использовании альтернативный метод измерения в нанометровом диапазоне.
Используемые рентгеновские микроскопы
Разрешение оптических микроскопов ограничено длиной волны используемого света, в лучшем случае можно разрешить структуры размером 200 нанометров. Рентгеновские микроскопы, такие как те, что используются в BESSY, достигают разрешения 20 нанометров благодаря более короткой длине волны рентгеновского излучения. Однако рентгеновский свет приходится связывать со специальными линзами, изготовление которых чрезвычайно сложно и точность изготовления которых ограничивает пространственное разрешение.
Голография - это альтернативный процесс обработки изображений, для которого не требуются линзы. Свет, рассеянный объектом, известный как объектный луч, не проецируется на плоскость с помощью оптического изображения. Вместо этого регистрируется характерная интерференционная картина объекта, которая создается путем наложения объектного луча на опорный луч (свет того же «типа», который использовался для освещения объекта). Эта интерференционная картина и есть голограмма.
Содержит всю информацию о волновом фронте, генерируемом объектом, чтобы по нему можно было восстановить изображение объекта. Однако только когерентное излучение может создавать такие голограммы, потому что только тогда объектный и опорный лучи интерферируют друг с другом. Для этого используются лазеры в видимом спектральном диапазоне, но для рентгеновского диапазона их пока нет.
Объект и опорный луч не на одной оси
В новой экспериментальной установке Эйзебитта и Люнинга для рентгеновской голографии объектный и опорный лучи не находятся на одной оси. Для этого они нанесли образец на микроструктурированную маску, содержащую дополнительное «наноотверстие» для генерации эталонного луча. Эта геометрия генерирует интерференционную картину, из которой можно однозначно пересчитать объект с высоким разрешением, используя стандартный математический метод - двухмерное быстрое преобразование Фурье. Методология маски устраняет искажения голографического изображения, имеющиеся в других геометриях.
Рентгеновская голография также интересна для использования в будущих источниках рентгеновского лазера, лазерах на свободных электронах (ЛСЭ). Они будут генерировать чрезвычайно яркий когерентный рентгеновский свет импульсами длительностью в несколько фемтосекунд. Ученые хотят использовать эти импульсы для отслеживания фундаментальных процессов, таких как движение атома, с временным разрешением. Последовательность рентгеновских вспышек в сочетании с соответствующим быстрым методом визуализации может обеспечить стробоскопические снимки движений. «Мы смогли показать, что одного рентгеновского импульса ЛСЭ достаточно для создания рентгеновской голограммы», - подчеркивает Эйзебитт. «Поэтому рентгеновская голография должна подходить для визуализации и понимания сверхбыстрых процессов на ЛСЭ». Среди прочего, BESSY планирует построить ЛСЭ к 2010 году.
Ученые сообщают о своих результатах в свежем номере научного журнала Nature.