美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室的科學家們開發了一種新的三維x射線成像方法，這種方法可以非常詳細地顯示笨重的材料-這是常規成像方法不可能完成的任務。這項新技術可以幫助科學家解開從電池到生物系統等無數物質的結構信息的線索。
科學家們在布魯克海文的國家同步光源II(NSLS-II)上開發了他們的方法-一個DOE辦公室的科學用戶設施，在那裡科學家使用超明亮的x射線來揭示納米尺度的細節。該團隊位於nsls-ii的硬X射線納米探針(Hxn)光束線上，這是一個使用先進鏡頭提供世界領先解析度的實驗站，其解析度一直下降到10納米-大約是人類頭髮直徑的千分之一。
HXN產生了非常高解析度的圖像，可以為科學家提供二維和三維不同材料特性的綜合視圖。波束線還具有獨特的結合現場和操作能力-研究材料在實際操作條件下的方法。然而，使用x射線顯微鏡的科學家受到他們可以研究的材料的大小和厚度的限制。
「在充分利用像hxn這樣的光束線的潛力，特別是從厚樣本中獲取高解析度細節方面，x射線成像界仍然面臨著重大挑戰，」hxn的首席光束線科學家朱勇說。當材料厚時，獲得高解析度的圖像就會變得具有挑戰性-也就是說，比x射線光學的聚焦深度更厚。
現在，HXN的科學家們已經開發了一種有效的方法來研究厚樣品，而不犧牲HXN提供的出色的解析度。他們在期刊上發表的一篇論文中描述了他們的研究方法。奧提卡.
「我們研究的最終目標是打破對樣品厚度施加的技術障礙，開發一種新的三維成像方法-一種涉及對樣本進行數學切片的新方法，」hxn的科學家、論文的合著者黃曉靜(音譯)說。
研究小組在HXN工作站上拍攝。站著，從左到右，分別是黃曉靜，顏漢飛，葉夫根尼·拿撒雷茨基，楚永元，葛明遠，董志華。坐著，從左到右，分別是韓德祖爾克和林美峰。學分：布魯克海文國家實驗室
傳統的獲取三維圖像的方法是採集和組合一系列二維圖像.為了獲得這些二維圖像，科學家通常會將樣本旋轉180度；然而，大樣本無法在典型x射線顯微鏡有限的空間內輕易旋轉。這一限制，加上厚樣品成像的挑戰，使得重建高解析度的三維圖像幾乎是不可能的。
「我們不是通過旋轉樣本來收集一系列二維投影，而是簡單地『將』厚的材料『切片』成一系列的薄層，」主要作者漢德·奧茲特爾克(Hande ztürk)說。「這種切片過程是在數學上進行的，而不需要對樣品進行物理修改。」
他們的技術得益於HXN的特殊光學，被稱為多層勞厄透鏡(MLLS)，它被設計成將x射線聚焦到一個很小的點。這些鏡片為研究較薄的厚材料片創造了有利的條件，同時也縮短了測量時間。
「HXN獨特的MLL具有很高的聚焦效率，所以我們可以花更少的時間收集我們需要的信號，」HXN的科學家、論文的合著者嚴漢飛說。
通過將MLL光學和多層切片方法結合起來，hxn的科學家們能夠想像出兩層納米粒子，其距離只有10微米-大約是人類頭髮直徑的十分之一-解析度要小100倍。此外，該方法還大大縮短了獲取單個圖像所需的時間。
「這一進展提供了一個令人興奮的機會，對那些很難用常規方法成像的樣品進行三維成像-例如，一個帶有複雜電化學電池的電池，」朱說。他補充說，這種方法對於未來廣泛的研究應用可能非常有用。
下面我們將看到光學傳輸在計算機領域的一些新應用
在幾乎看不見的光束上運行計算機，而不是微電子技術，將使計算機更快、更輕、更節能。這種技術的一個版本已經存在於光纖電纜中，但它們太大了，無法在計算機中實用。
範德比爾特的一個團隊在大學物理學生熟悉的公式中找到了答案-這個解決方案既簡單又優雅，讓評審員很難相信。SharonWeiss教授，她的博士生Shuren Hu，以及IBM T.J.Watson研究中心和法國特羅耶斯技術大學的合作者，在今天的科學進步一份來自AAAS的同行評議的開放訪問日誌。
他們開發出了一種結構，它部分是蝴蝶結，一部分是漏鬥，通過掃描近場光學顯微鏡測量，這種結構能有效地、幾乎無限期地聚光。只有12納米連接保齡球的各點。人類頭髮的直徑是100，000納米。
「光的傳輸速度比電快，而且不像目前在計算機中傳輸信息的銅線那樣存在加熱問題，」科尼利厄斯·范德比爾特捐贈的主席、電氣工程、物理和材料科學與工程教授Weiss說。「我們的新研究真正特別之處在於，使用蝴蝶結形狀可以使光線集中，使少量的輸入光在一個小區域內得到高度放大。」我們可以利用它來低功耗地操縱電腦晶片上的信息。「
該小組兩年前將其研究成果作為一種理論發表在ACS光子學，然後與威爾·格林在IBM的矽光子學團隊合作，製造出一種能夠證明這一點的設備。
這項研究始於麥克斯韋方程，它描述了光如何在空間和時間中傳播。Weiss和Hu利用這些方程中的兩個原理，應用邊界條件來解釋所使用的材料，將一個被矽包圍的納米尺度的空氣槽與一個被空氣包圍的納米矽棒組合在一起，形成圓頂形狀。
「要提高光能密度，通常有兩種方法：將光線聚焦到一個很小的空間和陷阱。燈在儘可能長的空間裡，「胡說。他說：「我們所面對的挑戰，不單是要把一個相對象大小的光子擠進冰箱大小的空間，而且還要把大象自願地保存在冰箱裡很長一段時間。」在光子學中，人們普遍認為，你必須在捕獲時間和捕獲空間之間做出妥協：你越難擠壓光子，它們就越渴望逃離。「
韋斯說，她和胡將繼續努力改進他們的設備，並探索其在未來計算機平臺上的可能應用。