Luz em forma de rosquinha faz microscpios mergulharem matria adentro

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/12/2023

Pticografia

Os microscpios podero saltar para um novo patamar matria adentro graas a feixes especiais de luz, nos quais a luz formatada para viajar pelo espao na forma de um anel.

A pesquisa o mais recente avano no campo da pticografia, uma tcnica que combina um tipo de detector de imagens e um processo computadorizado, e funciona escaneando padres sobrepostos de espalhamento da luz em uma amostra de material em busca de mudanas na regio de sobreposio.

Assim, ao contrrio dos microscpios tradicionais, a pticografia no tenta visualizar diretamente os objetos focalizando o melhor possvel a luz sobre eles; em vez disso, ela direciona lasers para o alvo e depois mede como a luz se espalha, algo como o equivalente microscpico de fazer figuras de sombra na parede e ento interpretar as sombras para saber a posio que voc ps as mos.

Mas a tcnica no vinha funcionando bem para todos os casos, sobretudo em alguns de enorme efeito prtico, como analisar os componentes microscpicos da nanoeletrnica – os transistores atuais tm poucos nanmetros, o que por sua vez representa algumas poucas dezenas de tomos de comprimento.

“At recentemente, [a pticografia] vinha falhando completamente para amostras altamente peridicas, ou objetos com um padro que se repete regularmente,” explicou a professora Margaret Murnane, da Universidade do Colorado em Boulder, nos EUA, citando justamente os semicondutores, que so compostos de tomos como o silcio ou o carbono unidos em padres regulares, como uma grade ou malha.

Comparao da tcnica atual (esquerda) com a nova tcnica baseada no momento angular orbital da luz (direita).
[Imagem: Bin Wang et al. – 10.1364/OPTICA.498619]

Brincando de sombras na parede

A equipe agora encontrou uma soluo para dar um zoom radical em estruturas peridicas: Em vez de usar os lasers tradicionais em seus microscpios, eles utilizaram feixes de luz formatados em forma de rosquinhas.

Primeiro os pesquisadores geraram feixes de laser comuns na faixa do ultravioleta extremo e, em seguida, empregaram um dispositivo chamado placa de fase espiral para torcer esses feixes na forma de um saca-rolhas, ou vrtice – quando esse vrtice de luz atinge uma superfcie plana, ele tem a forma de uma rosquinha.

Para entender como isso funciona, volte analogia dos fantoches de sombra na parede. Imagine que voc queira capturar uma imagem pticogrfica de uma estrutura muito pequena, como um transstor em formato de “T”. Para isso, primeiro dispare um feixe de laser no “T”. Quando a luz atinge o transstor o feixe se quebra e se espalha, produzindo um padro complexo, que pode ser comparado s sombras na parede. Empregando detectores sensveis, esses padres so escaneados vrias vezes e ento analisados com uma srie de equaes matemticas. Com computao suficiente, torna-se possvel reconstruir a forma detalhada do boneco de sombra (no nosso caso, a letra “T”) inteiramente a partir das sombras projetadas. “Em vez de usarmos lentes para recuperar a imagem, usamos algoritmos,” disse Murnane.

A grande descoberta que, quando feixes de luz no formato de rosquinha refletem em estruturas repetidas, ou peridicas, eles criam sombras muito mais complexas e com mais informaes do que quando se usam lasers normais, resultando em imagens de maior resoluo.

Imagens de ultramicroscopia feitas com a nova tcnica (embaixo), em comparao com o que se obtinha at agora (em cima).
[Imagem: Bin Wang et al. – 10.1364/OPTICA.498619]

Clulas biolgicas

A nova abordagem permitiu coletar imagens precisas de estruturas minsculas e delicadas com aproximadamente 10 nanmetros, mas a equipe acredita que d para mergulhar mais fundo aprimorando os feixes de luz torcida.

Outra vantagem que os feixes de luz em formato de rosquinha – ou luz com momento angular ptico – no prejudicam pequenos componentes eletrnicos no processo, como ocorre com algumas ferramentas de imagem existentes, como os microscpios eletrnicos.

A equipe j est fazendo planos para tornar sua estratgia de luz ainda mais precisa, o que eventualmente permitir visualizar objetos menores e ainda mais frgeis – incluindo clulas biolgicas vivas.

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