Pola sebar dihasilkan oleh berkas cahaya berbentuk donat yang dipantulkan dari suatu objek dengan struktur yang berulang secara teratur. Kredit: Wang, dkk., 2023, “Optica”
Untuk belajar skala nano pola dalam komponen elektronik atau fotonik kecil, metode baru berdasarkan pencitraan tanpa lensa memungkinkan mikroskop resolusi tinggi yang mendekati sempurna. Ptychography, suatu bentuk pencitraan tanpa lensa yang canggih, menggunakan sinar pemindaian untuk mengumpulkan cahaya yang tersebar untuk rekonstruksi gambar, menghadapi tantangan dengan sampel berkala.
Untuk mempelajari pola skala nano dalam komponen elektronik atau fotonik kecil, metode baru berdasarkan pencitraan tanpa lensa memungkinkan mikroskop resolusi tinggi yang mendekati sempurna. Hal ini sangat penting terutama pada panjang gelombang yang lebih pendek dari ultraviolet, yang dapat menghasilkan gambar dengan resolusi spasial lebih tinggi daripada cahaya tampak tetapi optik pembentuk gambar tidak sempurna.
Bentuk pencitraan tanpa lensa yang paling canggih disebut ptychography, yang bekerja dengan memindai sinar seperti laser pada sampel, mengumpulkan cahaya yang tersebar, dan kemudian menggunakan algoritma komputer untuk merekonstruksi gambar sampel.
Meskipun ptychography dapat memvisualisasikan banyak struktur nano, mikroskop khusus ini mengalami kesulitan menganalisis sampel dengan pola yang sangat teratur dan berulang. Hal ini karena cahaya yang tersebar tidak berubah seiring pemindaian sampel berkala, sehingga algoritme komputer menjadi bingung dan tidak dapat merekonstruksi gambar yang baik.
Mengambil tantangan ini, baru saja lulus Ph.D. peneliti Bin Wang dan Nathan Brooks, bekerja sama dengan JILA Fellows Margaret Murnane dan Henry Kapteyn, mengembangkan metode baru yang menggunakan cahaya dengan panjang gelombang pendek dengan pusaran khusus atau bentuk donat untuk memindai permukaan berulang ini, sehingga menghasilkan pola difraksi yang lebih bervariasi. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk menangkap rekonstruksi gambar dengan ketelitian tinggi menggunakan pendekatan baru ini, yang baru-baru ini mereka terbitkan di jurnal OPTIK. Hasil ini juga akan disorot dalam Toko Optik Berita Optik dan Fotonik dalam sorotan tahunan Optik pada tahun 2023.
Metode pencitraan baru ini sangat berdampak pada aplikasi nanoelektronik, fotonik, dan bahan meta. “Kemampuan untuk menyusun (atau mengubah bentuk) sinar laser tampak menjadi donat dan bentuk lainnya telah merevolusi mikroskop tampak resolusi super,” jelas Murnane. “Sangat menarik untuk sekarang memiliki jalan ke depan untuk membawa kemampuan canggih ini ke gelombang yang lebih pendek.”
Memahat Balok Harmonik Tinggi Berbentuk Pusaran
Untuk membuat sinar seperti laser pada panjang gelombang pendek dalam pengaturan skala meja, tim JILA menggunakan proses yang disebut pembangkitan harmonik tinggi (HHG). HHG terjadi ketika pulsa laser ultracepat mengenai atommengambil elektron dan kemudian mengarahkannya kembali ke atom induknya untuk bergabung kembali. Setelah kontak, atom mengubah energi kinetik elektronnya menjadi sinar ultraviolet ekstrim (EUV). Dan jika jutaan atom memancarkan cahaya EUV secara serempak, gelombang tersebut menghasilkan sinar EUV yang terang seperti laser.
Untuk menggambarkan pola yang berulang, para peneliti JILA perlu menemukan cara untuk mengubah sinar HHG sehingga cahaya yang tersebar berubah saat sinar EUV dipindai pada sampel. Para peneliti membujuk sinar HHG untuk berubah dari piringan menjadi bentuk pusaran atau donat, yang disebut sinar momentum sudut orbital (OAM), untuk mencapai efek ini. Bentuk yang berbeda ini penting untuk memungkinkan pencitraan sampel periodik tanpa lensa.
Ketika para ilmuwan menyinari mikroskop mereka dengan sinar HHG berbentuk pusaran (lihat gambar terlampir), pola pencar yang lebih rumit dihasilkan, yang berubah seiring sampel dipindai. Variasi ini mengkodekan informasi tentang motif berulang sampel dan memungkinkan algoritme mengekstrak gambar yang akurat.
Di luar hasil yang menarik ini, pencitraan tanpa lensa berkas pusaran baru ini juga menghasilkan lebih sedikit kerusakan pada sampel halus dibandingkan dengan mikroskop elektron pemindai. Karena banyak sampel bahan lunak, plastik, dan biologis yang rapuh, kuncinya adalah memiliki cara yang tepat dan lembut untuk menggambarkannya.
Selain itu, pencitraan tanpa lensa berkas pusaran lebih baik dalam mendeteksi cacat pada pola nano dibandingkan pemindaian mikroskop elektron, yang cenderung melelehkan sampel yang halus.
Pola, Pola, Dimana-mana—dan Sekarang Kita Dapat Melihatnya dengan Lebih Baik
Bagi para ilmuwan yang membuat bahan berpola untuk perangkat nano, energi, fotonik, dan kuantum generasi berikutnya, kemajuan ini memungkinkan pencitraan resolusi tinggi dari struktur yang sangat periodik, tanpa merusaknya. Seperti yang dijelaskan Kapteyn: “Di masa depan, hal ini juga memungkinkan untuk mengambil gambar sel hidup yang halus dengan resolusi spasial yang tinggi.”
Untuk informasi lebih lanjut mengenai penelitian ini, lihat Bagaimana Sinar Cahaya “Donat” Membuka Misteri Mikroskopis.
Referensi: “Pencitraan ptychographic dengan ketelitian tinggi dari struktur periodik tinggi yang dimungkinkan oleh sinar harmonik tinggi pusaran” oleh Michael Tanksalvala, Henry C. Kapteyn, Bin Wang, Peter Johnsen, Yuka Esashi, Iona Binnie, Margaret M. Murnane, Nicholas W. Jenkins dan Nathan J.Brooks, 19 September 2023, OPTIK.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.498619
