Tek optik eleman, yumuşak X-ışını görüntülemeyi ve spektroskopiyi birleştirir

Almanya, İsviçre ve Japonya’dan uluslararası bir araştırma ekibi, yakın zamanda yapılan bir çalışmada, tek bir yansıma bölgesi plakasının (RZP) hem yumuşak X-ışını görüntülemeyi hem de rezonans elastik olmayan X-ışını saçılımı (RIXS) haritalamasını gerçekleştirebildiğini gösterdi. Yaklaşım, hem yapıların bir malzemede nerede bulunduğunu hem de elektronik özelliklerinin nasıl değiştiğini belirlemesi gereken gelecekteki araçları basitleştirebilir.

‘de yayınlanan çalışma Optik EkspresHamburg’daki DESY’deki PETRA III sinkrotron radyasyon kaynağının P04 ışın hattında gerçekleştirildi. Araştırmacılar, yumuşak X ışınlarını aynı anda odaklayan ve dağıtan, hassas bir şekilde nanoyapılı yansıtıcı optik olan RZP’yi kullandılar. Geleneksel X-ışını görüntüleme, bir numune hakkında mekansal bilgi sağlarken, spektroskopi, numunenin elektronik yapısını, kimyasal bağlarını ve uyarılmış durumlarını ortaya çıkarır.

İki yeteneğin birleştirilmesi genellikle birkaç optik bileşen ve zorlu hizalama prosedürleri gerektirir. Yeni çalışmada RZP, yansıma, odaklanma, görüntüleme ve spektral dağılım için hepsi bir arada bir öğe olarak görev yapıyor.

“Deneylerimiz, bir RZP’nin kompakt bir optik düzenleme kullanarak hem uzaysal hem de spektroskopik bilgi sağlayabildiğini gösteriyor.” dedi Dr. Jens Rehanek. “Bu, gelişmiş yumuşak X-ışını ölçümlerini daha verimli ve uygulanması daha kolay hale getirebilir.”

Ekip, görüntüleme yeteneğini göstermek için Siemens yıldızlarını ve harflerini içeren test yapılarını inceledi. “RIX’ler.” Numuneyi noktadan noktaya kaydetmek yerine, araştırmacılar onu dar bir X-ışını çizgisiyle aydınlattılar ve numuneyi ışın boyunca adım adım hareket ettirdiler. Daha sonra ayrı ayrı görüntü şeritleri, iki boyutlu görüntünün tamamını yeniden oluşturmak için hesaplamalı olarak birleştirildi.

Yöntem, yaklaşık 14-24 μm uzaysal çözünürlüğe sahip yapıları çözmüştür. Dairesel nesneler için çizgi tarama yaklaşımı, karşılaştırılabilir mekansal örneklemeyle gerçekleştirilen geleneksel iki boyutlu noktadan noktaya taramaya göre yaklaşık 27 kat daha hızlıydı.

Bu çalışmadan önce, 19. yüzyılda Alman bilim adamı Ernst Abbe tarafından formüle edilen Abbe sinüs koşulu nedeniyle böyle bir çalışmanın mümkün olamayacağı düşünülüyordu. Eksene yakın ve ona dik olarak konumlandırılmış küçük alanlı bir elemanın sapmalardan arındırılmış olarak görüntülenmesi için gerekli bir durumdur. Deneyin önemli bir özelliği, RZP’nin yayılan X ışınlarının yalnızca sınırlı bir açısal aralığının kabul edildiği paraksiyal rejimde çalışmasıydı. Bu, normalde uzatılmış nesnelerin görüntülerini bozabilecek optik sapmaları büyük ölçüde azalttı.

“RZP’nin güçlü dağılımı, birçok spektroskopik özelliğin aynı anda ölçülmesine olanak tanır.” dedi Dr. Christoph Braig. “Daha da önemlisi, hem elastik hem de elastik olmayan sinyaller aynı optik konfigürasyonda kaydedilebilir.”

Araştırmacılar daha sonra katı test örneğini etanolde çözünmüş asetonitril içeren sıvı bir jetle değiştirdiler. Gelen X-ışını ışını, uzaysal olarak dağılmış bir foton enerjisi aralığı içeriyordu; “gökkuşağı” sıvı jetinin ışıklı kısmı boyunca. RZP, gelen foton enerjilerini ayırt etmek için bir dedektör yönü ve yayılan X ışınlarını dağıtmak için dikey yön kullandı. Bu, araştırmacıların deneysel geometriyi değiştirmeden iki boyutlu foton giriş ve foton çıkış RIXS haritasını kaydetmelerine olanak sağladı.

Ölçüm, 388,6’dan 401,8 eV’ye kadar yayılan foton enerjilerini kapsadı ve nitrojen K kenarı yakınındaki karakteristik elastik olmayan, titreşimli ve elastik özellikleri çözdü. Tahmini spektral çözünürlük, olaya ve yayılan foton enerjilerine bağlı olarak ~ 0,3 eV idi. Tüm veri seti, geleneksel yaklaşımlardan çok daha hızlı bir şekilde yaklaşık 220 saniyede toplandı.

“Yansıma, odaklanma, görüntüleme ve spektral dispersiyonu tek bir optik elemanda birleştiren yöntem, yumuşak X-ışını spektromikroskopisine kompakt ve etkili bir yol sunar ve maddenin atomik ölçekte araştırılması için yeni fırsatlar açar.” dedi son ve uluslararası çalışmaya öncülük eden Tohoku Üniversitesi SRIS’inden sorumlu yazar Zhong Yin.

RZP’ler, süper cilalanmış bir Si substrat üzerinde nm ölçekli yapılar olarak üretilir. İletim bölgesi plakalarının aksine, X ışınlarının geçmesi gereken ince bir destekleyici membrana ihtiyaç duymazlar. Yüksek dağılım, faydalı kırınım verimliliği ve hassas üretilebilirlik kombinasyonu, onları foton yoğunluklu yumuşak X-ışını deneyleri için çekici kılmaktadır. Araştırmacılar, konseptin geleneksel veya tutarlı X-ışını görüntülemeye, kimyasal ve elementel haritalamaya ve RIXS spektroskopisine uygulanabileceğini öne sürüyor.

Yaklaşım aynı zamanda laboratuvardaki yüksek harmonik kaynaklar, lazerle çalışan plazma kaynakları ve X-ışını serbest elektron lazerleriyle de uyumlu olabilir. Çeşitli optik fonksiyonları tek bir bileşende birleştirerek, RZP cihazları optik elemanların sayısını azaltabilir, hizalamayı basitleştirebilir ve mekansal olarak heterojen malzemelerin, sıvıların ve dinamik süreçlerin zaman açısından daha verimli ölçümlerini mümkün kılabilir.