Dank einer neuen Bildgebungsmethode für neutrale Atomstrahlmikroskope, die von Forschern der Swansea University entwickelt wurde, könnten Mikroskopbilder viel schneller aufgenommen werden – und nicht nur Pixel für Pixel. Dies könnte letztlich dazu führen, dass Ingenieure und Wissenschaftler beim Scannen von Proben schnellere Ergebnisse erzielen.
Die Forschungsergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Neutrale Atomstrahlmikroskope stehen derzeit im Mittelpunkt des Forschungsinteresses. Sie können verschiedene Oberflächen abbilden, die mit handelsüblichen Mikroskopen nicht untersucht werden können. Dazu gehören empfindliche Proben – wie bakterielle Biofilme, Eisfilme oder organische Photovoltaikgeräte –, die schwer abzubilden sind oder durch Elektronen, Ionen und Photonen beschädigt und verändert werden.
Sie funktionieren, indem sie einen Strahl neutraler Teilchen mit niedriger Energie, normalerweise Heliumatome, an einer Oberfläche streuen, um deren Struktur und Zusammensetzung abzubilden.
Herkömmliche neutrale Atomstrahlmikroskope erzeugen das Bild, indem sie die Probe durch ein mikroskopisches Nadelloch beleuchten. Anschließend scannen sie die Position der Probe, während sie den gestreuten Strahl aufzeichnen, um ein Bild zu erstellen.
Eine wesentliche Einschränkung dieses Ansatzes ist jedoch die erforderliche Bildgebungszeit, da das Bild Pixel für Pixel gemessen wird. Eine Verbesserung der Auflösung durch Reduzierung der Lochgröße verringert den Strahlfluss drastisch und erfordert eine deutlich längere Messzeit.
Und genau hier macht die neue Forschung der Swansea University einen Unterschied. Die Forschungsgruppe von Professor Gil Alexandrowicz aus der Chemieabteilung hat eine neue – und schnellere – Alternative zum Lochkamera-Scanning entwickelt.
Sie demonstrierten die neue Methode mithilfe eines Strahls aus Helium-3-Atomen, einem seltenen leichten Isotop von normalem Helium.
Bei dieser Methode wird ein Atomstrahl durch ein ungleichmäßiges Magnetfeld geleitet. Mithilfe der Kernspinpräzession wird die Position der Strahlteilchen kodiert, die mit der Probe interagieren.
Morgan Lowe, ein Doktorand im Team aus Swansea, baute das magnetische Kodierungsgerät und führte die ersten Experimente durch, die zeigten, dass die neue Methode funktioniert.
Das von Herrn Lowe gemessene Strahlprofil lässt sich sehr gut mit numerischen Simulationsberechnungen vergleichen. Das Team hat außerdem numerische Simulationen verwendet, um zu zeigen, dass die neue magnetische Kodierungsmethode in der Lage sein sollte, die Bildauflösung mit einer deutlich geringeren Zeitsteigerung zu verbessern, als dies bei der derzeit verwendeten Lochkamera-Methode der Fall ist.
Professor Alexandrowicz von der Chemieabteilung der Universität Swansea, der leitende Forscher, erklärte: „Die Methode, die wir entwickelt haben, eröffnet verschiedene neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der Neutralstrahlmikroskopie. Sie sollte es ermöglichen, die Bildauflösung zu verbessern, ohne dass übermäßig lange Messzeiten erforderlich sind, und hat außerdem das Potenzial, neue Kontrastmechanismen auf der Grundlage der magnetischen Eigenschaften der untersuchten Probe zu ermöglichen.“
„In naher Zukunft wird die neue Methode weiterentwickelt, um einen voll funktionsfähigen Prototyp eines magnetisch kodierten Neutralstrahlmikroskops zu schaffen. Damit können die Auflösungsgrenzen, Kontrastmechanismen und Betriebsarten der neuen Technik getestet werden.
„In fernerer Zukunft sollte dieser neue Mikroskoptyp Wissenschaftlern und Ingenieuren zur Verfügung stehen, um die Topographie und Zusammensetzung empfindlicher und delikater Proben zu charakterisieren, die sie herstellen und/oder untersuchen.“
Weitere Informationen:
Morgan Lowe et al., Neutralstrahlmikroskopie mit reziprokem Raumansatz unter Verwendung magnetischer Strahlspinkodierung, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51175-2