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

単一の細胞やコンピュータ内部の小さなチップのような、極めて小さなものの完璧で高精細な写真を撮ろうとしている場面を想像してみてください。ただし、その際、注意しないと対象物を溶かしてしまうほど強力な懐中電灯を使わなければならないとします。これが、X線顕微鏡の世界です。科学者たちは、通常の光では透過できない、電池の内部や完全に密封されたコンピュータチップのような、厚くて重い材料の内部を見るために、これらの超強力なビームを使用しています。鮮明な画像を得るためには、X線を集中させるための特別な「レンズ」が必要です。しかし、ここが難しいところです。長い間使われてきた古いハイテクレンズは、光の大部分を遮ってしまう古いサングラスのようなものです。非常に高いエネルギーを持つX線（物体の深い内部を見るために必要な種類）に対してこれらを使用すると、極めて非効率的になり、光のごくわずかな割合しか通さなくなります。それはまるで、滴り落ちる蛇口でスイミングプールを満たそうとしているようなものです。これにより、サンプルに放射線を浴びせすぎて損傷させたり、画像が表示されるまで永遠に待たなければならなくなったりすることなく、鮮明な画像を得ることが困難になります。

この論文は、巧妙な新しい解決策を紹介しています。それはダイヤモンドから削り出されたカスタムメイドの「ライトシェイパー（光の成形器）」です。これは、X線のビーム全体を捉え、すべてのフォトンの方向を優しく再配置して、光を跳ね返したりブロックしたりするのではなく、完璧で均一な光の洪水を作り出す魔法のプリズムのようなものです。このダイヤモンドの道具を使用することで、研究者たちは、非常に高いエネルギーレベル（20 keV）において、72ナノメートルの分解能で小さな物体の極めてクリアな3D風写真を撮ることに成功しました。これは、従来の「滴り落ちる蛇口」の問題を起こさずに、厚くて複雑な材料の非常に細かい詳細を見ることができることを証明しており、バッテリーやコンピュータチップが実際に動作している最中に、それらがどのように機能しているかを研究するための扉を開くものです。

ダイヤモンドの中のダイヤモンド（原石）

長い間、高エネルギーのX線を用いて超高精細な写真を撮ろうとする科学者たちは、もどかしいボトルネックに直面してきました。光を集中させるために使用する「回折光学系（ディフラクティブ・オプティクス）」（複雑な微細格子のようなもの）は、ふるいのように機能します。高エネルギーにおいては、有用な光の大部分を隙間から通り抜けさせてしまい、最大90%のビームを無駄にしてしまいます。良い画像を得るためには、パワーを上げる必要がありますが、それはデリケートなサンプルにとってはリスクとなります。

この論文のチームは、光をふるいにかけるのをやめ、形を作ることに決めました。彼らはダイヤモンド製の新しい種類の光学素子を構築しました。ダイヤモンドは、強烈なX線を扱うのに十分な強靭さと、X線を透過させるのに十分な透明性を備えた素材です。彼らは単なる単純なレンズを作ったのではありません。超高速レーザーを使用して、ダイヤモンドに「フリーフォーム」の形状を刻み込みました。ダイヤモンドのブロックを取り、それを25個の小さな傾斜したミラー（あるいはウェッジ／くさび型）のグリッドへと削り出す様子を想像してください。光を一つの小さな点に集中させるのではなく、このダイヤモンドのグリッドはビームを25個の小さな「ビームレット」に分割し、それらがサンプル上で完璧に重なり合うように角度を調整します。その結果、元のX線フォトンの94%が実際にターゲットに到達するという、均一で平坦なトップを持つ光のシートが生まれます。これは、滴り落ちる蛇口を、一滴も無駄にしない強力な消防ホースに変えるようなものです。

動くディフューザーの魔法

一つだけ小さな問題がありました。ダイヤモンドのシェイパーは光を集めることには優れていましたが、反対側にある「ズームレンズ（対物レンズ）」に合わせて光を十分に広げることができませんでした。写真の用語で言えば、光が最も鋭く焦点を合わせるには、光が十分に「広く」なかったのです。これを解決するために、科学者たちはサンプルのすぐ前に動くディフューザー（拡散板）を追加しました。

このディフューザーを、前後に揺れるすりガラスのようなものだと考えてください。それが動くにつれて、光線の方向をほんの少しだけかき乱し、角度にわずかな「ジッター（小刻みな揺れ）」を加えます。このジッターが、サンプルに当たる光の円錐を効果的に広げ、レンズの能力に完璧に一致させます。それは、スノーグローブを振って雪の結晶があらゆる方向に降り注ぐようにし、シーン全体を均一に照らすようなものです。このシンプルなトリックをダイヤモンドシェイパーと組み合わせることで、彼らは分解能を半周期の72ナノメートルまで押し下げることができました。これを比較すると、人間の髪の毛の約1,000分の1の細さです。

彼らが実際に見たもの

チームは、新しいセットアップが機能することを証明するために、いくつかの異なる対象でテストを行いました。まず、非常に鋭いエッジを持つ金のテストパターンを確認しました。フルシステム（ダイヤモンドシェイパー、動くディフューザー、およびダイヤモンド対物レンズ）を使用した場合、72.1ナノメートルもの微細な詳細を明確に見ることができました。ダイヤモンドシェイパーを取り除くと、画像はぼやけ、分解能は120ナノメートル以上に低下しました。動くディフューザーを取り除いた場合も、少しぼやけて約116ナノメートルになりました。これは、ダイヤモンドシェイパーと動くディフューザーの両方が、ダンスにおける不可欠なパートナーであることを証明しています。

彼らはまた、実世界の物体、すなわち16ナノメートル・テクノロジーで作られたTSMC集積回路（コンピュータチップ）の断面も観察しました。チップは厚く多くの層がありましたが、新しいシステムは内部の銅の充填構造を鮮明に見ることができました。これは、科学者が、構造物を切り刻んだり破壊したりすることなく、複雑で「埋もれた」構造の内部を見ることができるようになるため、非常に大きな意味を持ちます。

なぜこれが重要なのか

この論文は、従来の回折型（光を分割する）光学素子の代わりに、全屈折型（光を曲げる）ダイヤモンド光学素を使用することで、ついに高エネルギーでの高効率かつ高分解能なイメージングが可能になることを示しています。古い手法は、どれだけの光を無駄にするかによって制限されていました。この新しい手法はそのほとんどすべてを捉えます。研究者たちは、ビームシェイパーにおいて94%の効率を測定しましたが、これは従来のハイエネルギーレンズの典型的な効率である10%と比較して、劇的な改善です。

また、画像は非常に鮮明でしたが、ダイヤモンドレンズの微小な不完全性に起因する、局所的なわずかなボケも存在していました。これを修正するために、彼らは「ラプラシアン・ピラミッド融合」と呼ばれる巧妙なコンピュータ技術を使用しました。同じものの写真を2枚撮るのですが、その際、ショット間で対象物をわずかにずらします。もし一方の写真の左側にボケがあり、もう一方の写真の右側にボケがある場合、それらを組み合わせることで、両方の鮮明な部分を維持した一つの完璧な写真を得ることができます。このデジタルマジックにより、視野全体にわたって均一に鮮明な最終画像を作成することができました。

この研究は単なる技術的な問題を解決しただけではありません。それは新しい扉を開くものです。将来、X線の光の成形、レンズ、そしてコンピュータソフトウェアが、既存の部品を継ぎ合わせるのではなく、最初から一体として設計されたX線顕微鏡を設計できることを示唆しています。これにより、バッテリーの充電、材料の破損、あるいは微細な電子デバイスが実際に動作している様子を、リアルタイムで研究するための、より優れたツールを生み出すことができるでしょう。著者たちは、これらのダイヤモンドツールの製造と研磨が向上すれば、画像はさらに鮮明になり、新しい世代のX線透視能力への道が開かれると確信しています。