内部结构原理

荷兰研究人员拍摄到的世界首张原子结构图，图中颜色不同是因为原子内部微粒密度不同。 　　荷兰物质基础研究基金会的研究人员日前拍摄到了世界首张原子内部结构照片。 在这项开创性实验中，研究人员用激光、显微镜和能够把拍摄对象放大2万倍的特殊镜头对氢原子内部进行观察研究，并对其进行拍摄。该研究小组的负责人阿尼塔斯托多纳说：“我们对这一成果非常满意。”这项实验颠覆了量子物理学家们的观念。之前，由于原子内部微粒非常微小、脆弱，拍摄原子内部结构照片曾被认为是不可能完成的任务。 　　研究人员介绍称，选择氢元素作为研究对象，是因为它结构简单，拍摄氢的原子照片要比获取其他元素原子照片更为容易。目前，该小组将研究目标转向结构更为复杂的氦元素，研究是否成功还有待确认。 　　对于这项实验，加拿大渥太华大学物理学家杰夫伦德恩表示：“这个实验很有趣，这主要是因为它的研究对象是氢元素。”氢元素广泛存在于宇宙万物中。 伦德恩指出，该研究小组基本上开创了一项新技术，它将成为科学家们“一个非常有用的工具”。

据美国物理学家组织网近日报道，英国科技设施委员会(STFC)将和格拉斯哥大学合作，建造迄今为止拍摄速度最快的X射线摄影机：每秒450万帧，可记录瞬间爆发的图像。将它安装于大型研究设备上，有助于从分子和原子水平揭示物质内部结构，开发新型药物及用于其他重要研究领域。 　　该摄影机也是英国科技设施委员会与欧洲X射线自由电子激光仪(X射线自由电子a激光仪)合作的首批实验终端设备之一，将于明年交付欧洲X射线自由电子激光仪委员会，并于2015年开始运行。欧洲X射线自由电子激光仪委员会代表团在参观了英国科技设施委员会之后，已经签订了300万英镑的样机建造合约。 　　欧洲X射线自由电子激光仪位于德国北部汉堡附近，由德国牵头，欧洲11个国家共同合作建造，总耗资达10亿欧元，设施长约3.4公里。利用超导加速技术给电子加速，其产生的X射线闪光比传统X光源要亮10亿倍，每次闪光持续不到10亿亿分之一秒。利用这一激光高强度、短脉冲的属性，使拍摄单个分子三维结构的X射线图像成为可能。而目前最先进的X光摄影机只有通过X光束持续不断地轰击物体才能拍摄，X射线自由电子激光仪产生的极短暂而高强度闪光并不适合。 　　新的摄影机专为X射线自由电子激光仪超短超强的X光而设计，为欧洲X射线自由电子激光仪进一步发挥其强大的探测功能提供了用武之地，有助于理解物质属性，从原子水平绘制病毒结构，精确定位单个细胞的分子组成等。 　　英国科技设施委员会蒂姆尼古拉斯博士指出，为X射线自由电子激光仪建造尖端摄影机设备，表明了英国在先进微电子学和高技术成像设备设计方面的能力，也将给人们的生活带来巨大变化。 　　欧洲X射线自由电子激光仪开发公司领导马库斯库斯特博士表示，X射线自由电子激光仪代表了欧洲研究设备的主要进步，加上英国科技设施委员会在成像设备制造方面的先进技术，将帮助X射线自由电子激光仪发挥它最大的潜力。

Paul Scherrer Institute (PSI) 的研究人员与洛桑联邦理工学院、苏黎世联邦理工学院和南加州大学合作，利用 X 射线技术取得了重大突破。利用 PSI 瑞士光源 SLS 发出的 X 射线，并采用由瑞士XRnanotech公司提供的最外环宽度为30nm，高度为400nm的FZP（菲涅尔波带片）聚焦，以前所未有的高分辨率观察了微芯片内部结构，实现了4nm的图像分辨率，创下了新的世界纪录！这种高分辨率三维图像将为信息技术和生命科学领域的发展带来深远的影响，研究成果已发表在最新一期的《Nature》杂志上。该样本是从商用计算机芯片中提取的，由图中的金色针头支撑。该样本直径不到 5微米（比人类头发的宽度小 20 倍左右），使用聚焦离子束从芯片上切下并放置在针头上。© Paul Scherrer Institute PSI/Mahir Dzambegovic自 2010 年以来，PSI 大分子和生物成像实验室的科学家一直致力于开发显微成像方法，目的是生成纳米级的三维图像。在目前的研究中，他们与洛桑联邦理工学院 (EPFL)、苏黎世联邦理工学院 (ETHZ) 以及南加州大学合作，首次成功拍摄了最先进的计算机芯片微芯片的图像，分辨率达到 4 纳米，即 百万分之四毫米，创下了世界纪录。科学家们没有使用透镜（目前无法使用镜头拍摄此范围内的图像），而是采用了一种称为 叠层成像 ptychography 的技术，即通过计算机将许多单独的图像组合起来以创建一张高分辨率图片。更短的曝光时间和优化的算法是此次显著提高由他们在 2017 年创下的世界纪录的关键因素。在实验中，研究人员使用了 PSI 瑞士光源 SLS 发出的 X 射线，并由瑞士XRnanotech提供的FZP聚焦。频链接：https://youtu.be/aKEhNgUdFvc深入研究微芯片：新型叠层成像技术可生成分辨率为百万分之四毫米的三维图像。© 视频：Paul Scherrer Institute PSI/Benjamin A. Senn、Markus Fischer 和 Tomas AidukasNo.1 介于传统 X 射线断层扫描和电子显微镜之间微芯片是科技的奇迹。如今，先进的集成电路中每平方毫米可以容纳超过 1 亿个晶体管，这一趋势还在不断增长。高度自动化的光学系统用于在洁净室中将纳米级电路迹线蚀刻到硅坯中。一层又一层地添加和移除，直到完成芯片（智能手机和电脑的大脑）可以被切割和安装。制造过程繁琐复杂，表征和绘制最终结构也同样困难。扫描电子显微镜有几纳米的分辨率，因此非常适合对构成电路的微型晶体管和金属互连进行成像，但它们只能产生表面的二维图像。“电子在材料中传播得不够远，” SLS 的物理学家 Mirko Holler 解释道。“要用这种技术构建三维图像，必须逐层检查芯片，在纳米级别去除各个层——这是一个非常复杂和精细的过程，而且会破坏芯片。”然而，使用 X 射线断层扫描可以生成三维和无损图像，因为 X 射线可以穿透材料更深，这个过程类似于医院的 CT 扫描。样品被旋转并从不同角度进行 X 射线照射，辐射的吸收和散射方式各不相同，这取决于样品的内部结构。探测器记录离开样品的光，然后算法从中重建最终的 3D 图像。“这里我们遇到了分辨率问题，” Mirko Holler 解释说，“目前可用的 X 射线镜头都无法以分辨如此微小结构的方式聚焦这种辐射。”No.2 Ptychography——虚拟镜头解决方案是叠层成像。在这种技术中，不是将X射线束聚焦在纳米尺度上，而是使样品在纳米尺度上移动。“我们的样品被移动，使得光束遵循精确定义的网格——就像筛子一样。在网格上的每个点，都会记录衍射图案，” 物理学家解释说。各个网格点之间的距离小于光束的直径，因此成像区域会重叠。这会产生足够的信息，以便在算法的帮助下以高分辨率重建样品图像。重建过程就像使用虚拟镜头一样。Manuel Guizar-Sicairos、Tomas Aidukas 和 Mirko Holler（从左到右）站在 PSI 瑞士光源 SLS 的实验设备前。科学家利用这里产生的 X 射线创下了新的世界纪录。© Paul Scherrer Institute PSI/Mahir Dzambegovic“自 2010 年以来，我们一直在不断完善实验装置和样品定位的精度。2017 年，我们终于成功对计算机芯片进行了空间成像，分辨率达到 15 纳米——创下了纪录，” Holler 回忆道。从那时起，尽管装置和算法进一步优化，但我们仪器的分辨率一直保持不变。“我们将其延伸到了一到两纳米，但这是我们能达到的极限。有些东西限制了我们，我们必须找出它是什么。”No.3 寻找限制因素这项精心的研究终于在在2021 年由瑞士国家科学基金会资助的一个项目开始。除了参与了第一次记录的 Mirko Holler 和 Manuel Guizar-Sicairos 之外，Tomas Aidukas 也加入了该小组。这位物理学家用他的编程经验支持团队并开发了新的算法，最终帮助他们取得了突破。研究人员在减少曝光时间时找到了他们的第一个线索——衍射图像突然变得更清晰了。这让他们得出结论，照射样品的 X 射线束并不稳定，而是发生了微小的移动——光束在摆动。“这类似于摄影，” Guizar-Sicairos 解释说。“当你在晚上拍照时，你会因为黑暗而选择长时间曝光。如果你不使用三脚架这样做，你的动作就会传输到相机上，照片就会模糊。” 另一方面，如果你选择较短的曝光时间，这样光线被捕捉的速度比我们移动的速度快，那么图像就会很清晰。 “但在那种情况下，图像可能是全黑的或充满噪点，因为在这么短的时间内几乎无法捕捉到任何光线。”研究人员也面临类似的问题。尽管现在的图像已经很清晰，但由于曝光时间太短，图像所包含的信息太少，无法重建整个微芯片。NO.4 更短的曝光时间和新的算法为了解决这个问题，研究人员升级了他们的装置，换上了一个更快的探测器，这也是 PSI 开发的。这样他们就可以在每个网格点记录许多图像，每张图像的曝光时间都很短。“数据量非常大，” Aidukas 补充道。当将各个图像加在一起并叠加时，就会产生与使用长曝光时间获得的模糊图像相同的效果。查看最先进的计算机芯片的内部结构。研究人员新开发的叠层技术使研究人员能够绘制出这一工程奇迹的三维结构。图片显示了组成微芯片的不同层。在顶部可以看到较粗的结构。随着层层向下移动，微芯片变得越来越复杂 - 使那里的连接可见需要几纳米的分辨率。© Paul Scherrer Institute PSI/Tomas Aidukas“你可以把 X 射线束看作是样本上的一个点。我们现在在这个特定点拍摄大量单独的照片，”Aidukas 解释道。由于光束在摆动，每幅图像都会略有变化。“ 在一些图片中，光束处于相同的位置，而在另一些图片中，光束已经移动。我们可以利用这些变化来追踪未知振动引起的光束的实际位置。”接下来要做的是减少数据量。“我们的算法会比较各个图像中光束的位置。如果位置相同，则将它们放在同一组中并加和。” 通过对低曝光图像进行分组，可以增加它们的信息内容。因此，研究人员能够使用大量短曝光图片重建具有高光内容的清晰图像。新的叠层扫描技术是一种基本方法，也可以在类似的研究设施中使用。该方法不仅限于微芯片，还可以用于其他样品，例如材料科学或生命科学。文本：Paul Scherrer Institute PSI/Benjamin A. Senn© PSI 免费提供图像和/或视频材料，供媒体报道上述文本内容。不得将此材料用于其他目的，包括将图像和视频材料转移到数据库以及由第三方出售