Luz em forma de rosquinha faz microscópios mergulharem matéria adentro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/12/2023

Padrão de dispersão produzido por feixes de luz em forma de rosquinha refletidos em um objeto com uma estrutura que se repete regularmente.
[Imagem: Bin Wang et al. - 10.1364/OPTICA.498619]

Pticografia

Os microscópios poderão saltar para um novo patamar matéria adentro graças a feixes especiais de luz, nos quais a luz é formatada para viajar pelo espaço na forma de um anel.

A pesquisa é o mais recente avanço no campo da pticografia, uma técnica que combina um tipo de detector de imagens e um processo computadorizado, e funciona escaneando padrões sobrepostos de espalhamento da luz em uma amostra de material em busca de mudanças na região de sobreposição.

Assim, ao contrário dos microscópios tradicionais, a pticografia não tenta visualizar diretamente os objetos focalizando o melhor possível 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 microscópico de fazer figuras de sombra na parede e então interpretar as sombras para saber a posição que você pôs as mãos.

Mas a técnica não vinha funcionando bem para todos os casos, sobretudo em alguns de enorme efeito prático, como analisar os componentes microscópicos da nanoeletrônica - os transistores atuais têm poucos nanômetros, o que por sua vez representa algumas poucas dezenas de átomos de comprimento.

"Até recentemente, [a pticografia] vinha falhando completamente para amostras altamente periódicas, ou objetos com um padrão que se repete regularmente," explicou a professora Margaret Murnane, da Universidade do Colorado em Boulder, nos EUA, citando justamente os semicondutores, que são compostos de átomos como o silício ou o carbono unidos em padrões regulares, como uma grade ou malha.

Comparação da técnica atual (esquerda) com a nova técnica 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 solução para dar um zoom radical em estruturas periódicas: Em vez de usar os lasers tradicionais em seus microscópios, 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 vórtice - quando esse vórtice de luz atinge uma superfície plana, ele tem a forma de uma rosquinha.

Para entender como isso funciona, volte à analogia dos fantoches de sombra na parede. Imagine que você queira capturar uma imagem pticográfica de uma estrutura muito pequena, como um transístor em formato de "T". Para isso, primeiro dispare um feixe de laser no "T". Quando a luz atinge o transístor o feixe se quebra e se espalha, produzindo um padrão complexo, que pode ser comparado às sombras na parede. Empregando detectores sensíveis, esses padrões são escaneados várias vezes e então analisados com uma série de equações matemáticas. Com computação suficiente, torna-se possível 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 é que, quando feixes de luz no formato de rosquinha refletem em estruturas repetidas, ou periódicas, eles criam sombras muito mais complexas e com mais informações do que quando se usam lasers normais, resultando em imagens de maior resolução.

Imagens de ultramicroscopia feitas com a nova técnica (embaixo), em comparação com o que se obtinha até agora (em cima).
[Imagem: Bin Wang et al. - 10.1364/OPTICA.498619]

Células biológicas

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

Outra vantagem é que os feixes de luz em formato de rosquinha - ou luz com momento angular óptico - não prejudicam pequenos componentes eletrônicos no processo, como ocorre com algumas ferramentas de imagem existentes, como os microscópios eletrônicos.

A equipe já está fazendo planos para tornar sua estratégia de luz ainda mais precisa, o que eventualmente permitirá visualizar objetos menores e ainda mais frágeis - incluindo células biológicas vivas.

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