Free-form diamond refractive optics enable efficient high-energy X-ray nano-imaging

कल्पना कीजिए कि आप किसी बहुत छोटी चीज़ की, जैसे कि एक एकल कोशिका (cell) या कंप्यूटर के अंदर की एक नन्ही चिप की, एक आदर्श, हाई-डेफिनिशन फोटो लेने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपको इसे एक ऐसी टॉर्च का उपयोग करके करना है जो इतनी शक्तिशाली है कि यदि आप सावधान नहीं रहे तो वह उस वस्तु को पिघला सकती है। यह एक्स-रे माइक्रोस्कोपी की दुनिया है। वैज्ञानिक इन अत्यंत शक्तिशाली बीमों का उपयोग उन मोटी, भारी सामग्रियों के भीतर देखने के लिए करते हैं जिनमें साधारण प्रकाश प्रवेश नहीं कर सकता, जैसे कि एक बैटरी के अंदर का हिस्सा या पूरी तरह से सील किया गया कंप्यूटर चिप। एक स्पष्ट चित्र प्राप्त करने के लिए, उन्हें एक्स-रे को केंद्रित करने के लिए एक विशेष "लेंस" की आवश्यकता होती है। लेकिन पेचीदा बात यह है कि पुराने, हाई-टेक लेंस जिनका उपयोग वे लंबे समय से कर रहे थे, वे पुराने धूप के चश्मे की तरह हैं जो अधिकांश प्रकाश को रोक देते हैं। जब आप उन्हें बहुत उच्च-ऊर्जा वाले एक्स-रे (जिसकी आवश्यकता चीजों के गहराई में देखने के लिए होती है) के साथ उपयोग करने का प्रयास करते हैं, तो वे अविश्वसनीय रूप से अक्षम हो जाते हैं, जिससे केवल प्रकाश का एक बहुत छोटा हिस्सा ही गुजर पाता है। यह एक स्विमिंग पूल को टपकते हुए नल से भरने की कोशिश करने जैसा है। यह इसे कठिन बना देता है कि नमूने (sample) को इतनी अधिक रेडिएशन की बौछार के बिना स्पष्ट चित्र प्राप्त किया जाए जिससे उसे नुकसान पहुँच सकता है या आपको चित्र दिखने के लिए अनंत काल तक प्रतीक्षा करनी पड़े।

यह शोध पत्र एक चतुर नया समाधान पेश करता है: हीरे से तराशा गया एक कस्टम-मेड "लाइट शेपर" (प्रकाश आकार देने वाला उपकरण)। इसे एक जादुई प्रिज्म के रूप में सोचें जो एक्स-रे की पूरी बीम को पकड़ता है और प्रत्येक फोटॉन को धीरे से पुनर्गठित करता है ताकि प्रकाश का एक पूर्ण, समान प्रवाह बनाया जा सके, बजाय इसके कि अधिकांश प्रकाश टकराकर वापस चला जाए या रुक जाए। इस हीरे के उपकरण का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक बहुत उच्च ऊर्जा स्तर (20 keV) पर एक छोटी वस्तु की क्रिस्टल-क्लियर, 3D-शैली की फोटो लेने में सफलता प्राप्त की, जिसका रिज़ॉल्यूशन 72 नैनोमीटर था। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह साबित करता है कि हम मोटी, जटिल सामग्रियों के भीतर बारीक विवरण देख सकते हैं बिना पुराने "टपकते नल" वाली समस्या के, जो बैटरी या माइक्रोचिप जैसी चीजों के वास्तव में चलते समय उनके काम करने के तरीके का अध्ययन करने का मार्ग प्रशस्त करता है।

द डायमंड डायमंड इन द रफ (हीरे जैसा हीरा)

लंबे समय से, उच्च-ऊर्जा वाले एक्स-रे के साथ सुपर-शार्प तस्वीरें लेने की कोशिश करने वाले वैज्ञानिक एक निराशाजनक बाधा से जूझ रहे थे। वे प्रकाश को केंद्रित करने के लिए जिन उपकरणों का उपयोग करते हैं, जिन्हें "डिफ्रैक्टिव ऑप्टिक्स" (उन्हें सूक्ष्म जाली या ग्रेटिंग्स समझें) कहा जाता है, वे एक छलनी की तरह कार्य करते हैं। उच्च ऊर्जा पर, वे उपयोगी प्रकाश के अधिकांश हिस्से को दरारों से निकलने देते हैं, जिससे 90% तक बीम बर्बाद हो जाती है। एक अच्छा चित्र प्राप्त करने के लिए, आपको शक्ति बढ़ानी होगी, जो कि जोखिम भरा है क्योंकि यह नाजुक नमूनों को नुकसान पहुँचा सकता है।

इस शोध पत्र के पीछे की टीम ने प्रकाश को छानने की कोशिश करने के बजाय उसे आकार देने का निर्णय लिया। उन्होंने हीरे से बना एक नया प्रकार का ऑप्टिक बनाया, जो एक ऐसा पदार्थ है जो तीव्र एक्स-रे को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है और उन्हें गुजरने देने के लिए पर्याप्त पारदर्शी भी है। उन्होंने केवल एक साधारण लेंस नहीं बनाया; उन्होंने एक सुपर-फास्ट लेजर का उपयोग करके हीरे में एक "फ्री-फॉर्म" आकार उकेरा। कल्पना कीजिए कि एक हीरे के ब्लॉक को 25 छोटे, झुके हुए दर्पणों (या यूँ कहें कि वेज/wedges) के ग्रिड में तराशा गया है। प्रकाश को एक एकल, छोटे बिंदु पर केंद्रित करने के बजाय, यह हीरा ग्रिड बीम को 25 छोटे "बीमलेट्स" में विभाजित करता है और उन्हें इस तरह कोण देता है कि वे नमूने पर पूरी तरह से ओवरलैप हो सकें। परिणाम क्या है? प्रकाश की एक समान, फ्लैट-टॉप शीट जो पूरे क्षेत्र को समान रूप से कवर करती है, जिसमें मूल एक्स-रे फोटॉन का 94% वास्तव में लक्ष्य तक पहुँच जाता है। यह उस टपकते हुए नल को एक शक्तिशाली वॉटर-कैनन (firehose) में बदलने जैसा है जो एक भी बूंद बर्बाद नहीं करता है।

मूविंग डिफ्यूज़र का जादू

एक छोटी सी समस्या थी। हालांकि डायमंड शेपर प्रकाश इकट्ठा करने में बहुत अच्छा था, लेकिन यह प्रकाश को दूसरे छोर पर स्थित "ज़ूम लेंस" (ऑब्जेक्टिव) के अनुरूप फैलाने में सक्षम नहीं था। फोटोग्राफी के शब्दों में, प्रकाश सबसे सटीक फोकस प्राप्त करने के लिए पर्याप्त "चौड़ा" नहीं था। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने नमूने के ठीक सामने एक मूविंग डिफ्यूज़र जोड़ा।

इस डिफ्यूज़र को एक धुंधले कांच की खिड़की की तरह समझें जो आगे-पीछे हिलती है। जैसे ही यह हिलता है, यह प्रकाश की किरणों की दिशा को थोड़ा सा बिखेर देता है, जिससे कोणों में थोड़ी सी "जिटर" (कंपन) जुड़ जाती है। यह जिटर प्रभावी रूप रूप से प्रकाश के शंकु (cone) को चौड़ा कर देता है जो नमूने से टकरा रहा है, जिससे यह लेंस की क्षमताओं के साथ पूरी तरह मेल खा जाता है। यह स्नो ग्लोब (snow globe) को हिलाने जैसा है ताकि बर्फ के टुकड़े हर दिशा में गिरें, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि पूरा दृश्य समान रूप से प्रकाशित हो। इस सरल तकनीक ने, डायमंड शेपर के साथ मिलकर, उन्हें रिज़ॉल्यूशन को 72 नैनोमीटर के आधे-पीरियड तक नीचे धकेलने की अनुमति दी। संदर्भ के लिए, यह मानव बाल से लगभग 1,000 गुना पतला है।

उन्होंने वास्तव में क्या देखा

टीम ने यह सिद्ध करने के लिए कि यह काम करता है, कुछ अलग-अलग चीजों पर अपने नए सेटअप का परीक्षण किया। सबसे पहले, उन्होंने बहुत तीखे किनारों वाले एक गोल्ड टेस्ट पैटर्न को देखा। पूर्ण सिस्टम (डायमंड शेपर, मूविंग डिफिफ्यूज़र और डायमंड ऑब्जेक्टिव लेंस) के साथ, वे 72.1 नometers जितने छोटे विवरणों को स्पष्ट रूप से देख सके। जब उन्होंने डायमंड शेपर को हटा दिया, तो छवि धुंधली हो गई और रिज़ॉल्यूशन गिरकर 120 नैनोमीटर से अधिक हो गया। जब उन्होंने मूविंग डिफ्यूज़र को हटाया, तो यह भी थोड़ा धुंधला हो गया, जो लगभग 116 नैनोमीटर पर आ गया। इससे सिद्ध हुआ कि डायमंड शेपर और मूविंग डिफ्यूज़र दोनों ही इस प्रक्रिया के अनिवार्य साथी थे।

उन्होंने एक वास्तविक दुनिया की वस्तु को भी देखा: एक TSMC इंटीग्रेटेड सर्किट (कंप्यूटर चिप) का एक स्लाइस जो 16-नैनोमीटर तकनीक के साथ बनाया गया था। भले ही चिप मोटी थी और इसमें कई परतें थीं, नया सिस्टम इसके अंदर के सूक्ष्म तांबे के भराव (copper fillings) को स्पष्ट रूप से देख सका। यह बहुत बड़ी बात है क्योंकि इसका अर्थ है कि वैज्ञानिक अब जटिल, "दबे हुए" ढांचों के भीतर देख सकते हैं बिना उन्हें पहले काटने या नष्ट किए।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह शोध पत्र दिखाता है कि पुराने "डिफ्रैक्टिव" (प्रकाश को विभाजित करने वाले) ऑप्टिक्स के बजाय सभी "ऑल-रिफ्रैक्टिव" (प्रकाश को मोड़ने वाले) डायमंड ऑप्टिक्स का उपयोग करके, हम अंततः उच्च ऊर्जा पर कुशल, उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग प्राप्त कर सकते हैं। पुराने तरीके इस बात से सीमित थे कि वे कितना प्रकाश बर्बाद करते थे; यह नई विधि इसके लगभग पूरे हिस्से को कैप्चर करती है। शोधकर्ताओं ने अपने बीम शेपर के लिए 94% दक्षता मापी, जो पुराने उच्च-ऊर्जा लेंसों की विशिष्ट 10% दक्षता की तुलना में एक विशाल सुधार है।

उन्होंने यह भी नोट किया कि हालांकि छवियां अविश्वसनीय रूप से स्पष्ट थीं, फिर भी डायमंड लेंसों में छोटी खामियों के कारण कुछ बहुत ही सूक्ष्म, स्थानीयकृत धुंधले धब्बे मौजूद थे। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने "लैपलेसियन पिरामिड फ्यूजन" नामक एक चतुर कंप्यूटर ट्रिक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप एक ही चीज़ की दो तस्वीरें ले रहे हैं, लेकिन दो तस्वीरों के बीच वस्तु को थोड़ा सा खिसका रहे हैं। यदि एक फोटो में बाईं ओर धुंधलापन है और दूसरी में दाईं ओर, तो आप उन्हें मिलाकर एक ऐसी पूर्ण फोटो प्राप्त कर सकते हैं जहाँ दोनों के स्पष्ट हिस्से सुरक्षित रहते हैं। इस डिजिटल जादू ने उन्हें पूरे दृश्य में समान रूप से स्पष्ट अंतिम छवि बनाने में मदद की।

यह कार्य केवल एक तकनीकी समस्या को हल नहीं करता है; यह एक नया द्वार खोलता है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, हम ऐसे एक्स-रे माइक्रोस्कोप डिजाइन कर सकते हैं जहाँ प्रकाश को आकार देने, लेंसों और कंप्यूटर सॉफ़्टवेयर को शुरू से ही एक साथ डिजाइन किया जाए, न कि पुराने हिस्सों को जोड़ने का प्रयास किया जाए। इससे बैटरी कैसे चार्ज होती है, सामग्रियां कैसे टूटती हैं, या सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरण कैसे काम करते हैं, इसका वास्तविक समय में अध्ययन करने के लिए और भी बेहतर उपकरण विकसित किए जा सकते हैं। लेखक आश्वस्त हैं कि इन डायमंड टूल्स के बेहतर निर्माण और पॉलिशिंग के साथ, छवियां और भी स्पष्ट होंगी, जो नई पीढ़ी के एक्स-रे विज़न का मार्ग प्रशस्त करेंगी।