«Рентгеновские лучи используются для изучения наномира, поскольку они способны отображать гораздо более мелкие детали, чем видимый свет, а их проникающая способность позволяет видеть внутренние объекты», — объясняет Байт. Размер мельчайших деталей, которые можно разрешить, зависит от длины волны используемого излучения. Рентгеновские лучи имеют очень короткие длины волн, всего от 1 до 0,01 нанометра (нм), по сравнению с 400-800 нм для видимого света. Нанометр — это миллионная доля миллиметра.
Высокое проникновение рентгеновских лучей благоприятствует трехмерной томографической визуализации таких объектов, как биологические клетки, компьютерные чипы и наноматериалы, участвующие в преобразовании или хранении энергии. Но это также означает, что рентгеновские лучи проходят прямо через обычные линзы, не сгибаясь и не фокусируясь.
Один из возможных методов фокусировки рентгеновских лучей — просто оттолкнуть их от поверхности зеркала, чтобы подтолкнуть их в новом направлении. Но такие рентгеновские зеркала ограничены в возможности сведения и должны подвергаться механической полировке с высокой точностью, что делает их чрезвычайно дорогими.
Альтернативным способом изгиба рентгеновских лучей является использование кристаллов. Кристаллическая решетка дифрагирует рентгеновские лучи, как обнаружил столетие назад немецкий физик Макс фон Лауэ. Сегодня искусственные кристаллы можно сделать так, чтобы они точно фокусировали рентгеновские лучи, нанося слой за слоем различные материалы. Из этого строительного блока получается многослойная линза Лауэ или MLL, полученная путем покрытия подложки тонкими слоями выбранных веществ. «Однако обычные линзы Лауэ ограничены в их собирающей способности по геометрическим причинам», — объясняет Байт. «Чтобы получить максимальную мощность, слои MLL должны быть слегка наклонены друг относительно друга».
Как показали теоретические расчеты, все слои такой «клиновидной» МЛЛ должны лежать перпендикулярно на окружности с радиусом в два раза превышающим фокусное расстояние.Это довольно специфическое условие не могло быть сфабриковано — до сих пор. Команда Байт изобрела новый производственный процесс, при котором маска частично защищает субстрат от осаждаемого материала.
В полутени маски образуется клиновидная структура, а наклон слоев регулируется простым регулированием расстояния между маской и подложкой. Затем из области полутени вырезают клиновидный MLL. «До нас никто и близко не подходил к созданию такой клиновидной линзы», — говорит Байт.Исследователи изготовили клиновидную линзу из 5500 чередующихся слоев карбида кремния (SiC) и вольфрама (W) разной толщины.
Окончательная линза, вырезанная из этих отложений, имела ширину 40 микрометров (миллионную долю метра), толщину 17,5 микрометра и глубину 6,5 микрометра.Команда протестировала свой новый объектив на ультра-ярком источнике рентгеновского излучения DESY PETRA III.
Тест на экспериментальной станции P11 показал, что объектив дает фокус шириной всего 8 нм, что близко к расчетному значению 6 нм. Испытания также показали, что профиль интенсивности через линзу очень однороден, что является предпосылкой для получения изображений высокого качества.
Конструкция линзы позволяет пропускать на образец до 60% приходящего рентгеновского излучения.Ученые сфокусировали рентгеновский луч только в одном направлении, в результате чего получилась тонкая линия. Фокусировку в двух измерениях для получения небольшого пятна можно выполнить, просто используя две линзы в линию, одна из которых фокусируется по горизонтали, а другая — по вертикали. «Наши результаты подтверждают нашу технику изготовления линз с высокой фокусирующей силой.
Мы считаем, что у нас есть необходимый контроль, чтобы получить линзы с еще большей оптической силой», — поясняет Байт. «Похоже, что долгожданная цель — фокусировка рентгеновских лучей до нанометра — достижима». Это поставит рентгеновские изображения на один уровень с качеством, достигаемым с помощью сканирующих электронных микроскопов, которые обычно имеют разрешение 4 нм.
Преимущество заключается в том, что рентгеновское изображение не ограничивается только просматриваемыми поверхностями или очень тонкими образцами, но может проникать сквозь образец. «Наша новая концепция линз поможет ученым глубже заглянуть в нанокосм и сделать видимыми ранее недоступные детали», — говорит Байт.