Исследователи разработали новый тип микроскопа, который может создавать чрезвычайно большие снимки неплоских объектов с высоким разрешением за один кадр. Это инновационное решение может ускорить научные исследования и медицинскую диагностику или быть полезным в области контроля качества.
Традиционные микроскопы предполагают, что образец идеально плоский
«Хотя традиционные микроскопы предполагают, что образец идеально плоский, в реальной жизни образцы, такие как срезы тканей, образцы растений или гибкие материалы, могут быть изогнутыми, наклонными или неровными», — говорит руководитель исследовательской группы Рорк Хорстмейер из Университета Дьюка.
«С нашим подходом можно настроить фокус по всему образцу, чтобы всё оставалось в фокусе, даже если поверхность образца неровная, избегая при этом медленного сканирования или дорогостоящих специальных линз», — отмечает он.
Микроскоп PANORAMA
В журнале Optics Letters исследователи показывают, что микроскоп, который они называют PANORAMA, может захватывать субмикронные детали — от 1/60 до 1/120 диаметра человеческого волоса — на площади размером примерно с монету в США, не перемещая образец. Он создаёт детальное гигапиксельное изображение, которое имеет в 10–50 раз больше пикселей, чем изображение, полученное обычной камерой смартфона.
«Этот инструмент можно использовать везде, где требуется детальное изображение большой площади. Например, в медицинской патологии он может мгновенно сканировать целые предметные стёкла тканей, такие как те, что получены при биопсии, с клеточным разрешением», — сказал Хайтао Чен, докторант в лаборатории Хорстмейера.
«В материаловедении или промышленном контроле он может быстро проверять большие поверхности, такие как кремниевая пластина, с высокой детализацией», — добавил Чен.
Преодоление проблем
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи создали систему, состоящую из нескольких камер, которая действует как единый гигантский микроскоп. Микроскоп сочетает в себе телецентрическую линзу, первоначально разработанную для производства микросхем, с большой трубной линзой, которая проецирует изображение образца на плоский массив из 48 небольших камер, каждая из которых фиксирует часть сцены или образца.
Поскольку каждая камера может быть независимо сфокусирована в соответствии с поверхностью образца, всё поле зрения остаётся чётким, даже если образец изогнут. Это устраняет необходимость в сканировании, которое может занимать до часа. Изображения с каждой камеры автоматически сшиваются в непрерывное изображение с помощью программного обеспечения, этот процесс занимает около пяти–десяти минут.
«Телецентрическая линза позволяет получать изображение очень широкого поля без искажений, а многокамерный подход преодолевает обычное ограничение размера и разрешения одного датчика», — сказал Чен. «Эта комбинация позволяет нам получать цельное гигапиксельное изображение за один кадр, адаптивно выравнивая любую кривизну».
Открытие уникального эффекта Холла в ультратонких плёнках ферромагнитного оксида
Исследователи из Японии обнаружили уникальный эффект Холла, возникающий из-за отклонения электронов вследствие «плоскостной намагниченности» ультратонких плёнок ферромагнитного оксида (SrRuO₃).
Этот эффект опровергает столетнее предположение о том, что аномальный эффект Холла (АЭХ) возникает только при намагниченности, направленной перпендикулярно плоскости потока электронов.
Новый способ управления транспортом электронов
Исследование, опубликованное в Advanced Materials, предлагает новый способ управления транспортом электронов с потенциальным применением в передовых датчиках, квантовых материалах и спин-электронных технологиях.
Когда электрический ток проходит через материал в присутствии магнитного поля, его электроны испытывают тонкую боковую силу, которая отклоняет их путь. Этот эффект отклонения электронов называется эффектом Холла — явлением, лежащим в основе современных датчиков и электронных устройств. Когда этот эффект возникает из-за внутренней намагниченности проводящего материала, он называется аномальным эффектом Холла (АЭХ).
Учёные давно считали, что эффект Холла возникает только тогда, когда намагниченность направлена перпендикулярно плоскости потока электронов. Однако недавнее исследование из Японии опровергает это предположение.
Эффект Холла в ультратонкой плёнке стронциево-рутениевого оксида
Исследование под руководством доцента Масаки Учиды из Института науки Токио в сотрудничестве с доцентом Хироаки Ишизукой из того же департамента и профессором Риотаро Аритой из Высшей школы наук Токийского университета демонстрирует, что АЭХ может возникать, даже когда намагниченность лежит полностью в плоскости потока электронов.
Эффект был обнаружен в ультратонкой плёнке стронциево-рутениевого оксида (SrRuO₃), ферромагнитного оксида, который можно намагничивать и сохранять свой магнетизм.
Исследователи начали с выращивания нанометровых плёнок SrRuO₃, которые были выбраны из-за их уникальной структуры, в которой есть особые точки Вейля — особые точки в электронной зонной структуре, где электронные зоны пересекаются в трёх измерениях. Кристаллическая ориентация плёнок тщательно контролировалась для создания состояния со спонтанной плоскостной спиновой намагниченностью (возникающей из-за выравнивания спинов электронов).
Удивительно, но они обнаружили, что система демонстрировала большой АЭХ даже без применения внешнего магнитного поля. Этот отклик был обусловлен орбитальной намагниченностью, которая возникает из-за орбитального движения электронов. «Этот спонтанный АЭХ наблюдался в системе, где его долгое время считали невозможным», — говорит Учида.
Для дальнейшего анализа команда систематически измеряла холловскую удельную проводимость, которая измеряла боковое напряжение в материале при различных полярных и азимутальных углах приложенного магнитного поля. Полярные углы определяют наклон магнитного поля от вертикали, а азимутальные углы показывают направление магнитного поля в плоскости.
Изменение этих углов приводило к изменению удельного сопротивления, показывая, как отклик Холла чувствительно зависит от ориентации спиновой намагниченности. Эти эксперименты подтвердили, что эффекты возникают из-за недиагональной связи между спиновой и орбитальной намагниченностями.
«Эти идеи показывают, как тонкие искажения кристаллической структуры могут влиять на взаимодействия более высокого порядка, порождая неожиданные электронные поведения», — объясняет Учида.
Это открытие не только переопределяет наше понимание эффекта Холла, но и подчёркивает электронные поведения, которые могут трансформировать материаловедение. Используя орбитальную намагниченность для получения плоскостного отклика Холла, исследование открывает новые возможности для проектирования таких материалов, как магнитные датчики с индивидуальными электронными свойствами.
Optics Letters, the researchers show that the microscope, which they call PANORAMA, can capture submicron details—1/60 to 1/120 the diameter of a human hair—across an area roughly the size of a U.S. dime without moving the sample. It produces a detailed gigapixel-scale image, which has 10 to 50 times more pixels than the average smartphone camera image.”,”\”This tool can be used wherever large-area, detailed imaging is needed. For instance, in medical pathology, it could scan entire tissue slides, such as those from a biopsy, at cellular resolution almost instantly,\” said Haitao Chen, a doctoral student in Horstmeyer’s lab.”,”\”In materials science or industrial inspection, it could quickly inspect large surfaces such as a chip wafer at high detail.\””,”Conventional microscopes almost always have a trade-off between imaging a small area with high detail or a large area in low detail. Producing high-resolution gigapixel images typically requires complex optics or the time-consuming task of tile scanning of a sample.”,”Additionally, real samples are rarely perfectly flat across a centimeter-scale view, which typically requires mechanically scanning the sample up and down to keep various parts in focus, further slowing down the imaging process.”,”To overcome these challenges, the researchers created what can be thought of as a multiple-camera system that acts like a single giant microscope. The microscope combines a telecentric lens originally developed for chip-making with a large tube lens that projects an image of the sample onto a flat array of 48 small cameras, each imaging a portion of the scene or sample.”,”Because each camera can be independently focused to match the sample surface, the entire field of view stays sharp even if the sample is curved. This eliminates the need for scanning, which can take up to an hour. The images from each camera are automatically stitched together into a continuous picture using software, a process that takes about five to 10 minutes.”,”\”The telecentric lens makes it possible to image a very wide field without distortion, while the multi-camera approach overcomes the usual size-and-resolution limit of a single sensor,\” said Chen. \”This combination lets us acquire a seamless, gigapixel image in a single snapshot, flattening out any curvature adaptively.\””,”The researchers tested the new microscope by imaging a prepared slide of rat brain tissue under brightfield illumination, which uses white light to reveal tissue structure. Without any scanning, the 48-camera array captured the entire slice—a 630 MP image—in one snapshot. The resulting image clearly showed cellular structures measuring as small as 0.84 µm, as well as neurons and dendrites across the sample.”,”They also used the microscope to simultaneously acquire a brightfield and fluorescence image of onion skin laid over a gently curved surface. When they focused each camera on the local curvature, the entire curved layer stayed sharp. The brightfield images revealed crisp cell walls, while the fluorescence images clearly showed stained nuclei.”,”\”In practical terms, we saw a huge jump in throughput and flexibility: no more moving parts, no tedious focus-stacking, and no blind spots between cameras,\” said Horstmeyer.”,”\”Compared to older multi-camera microscopes that needed scanning to fill gaps and maintain focus, our approach gives continuous full coverage at sub-micron resolution.\””,”The researchers are now working to improve the microscope by adding more cameras or larger sensors to capture an even bigger field—such as an entire petri dish—in a single shot.”,”They are also developing an automated focus system so each camera no longer has to be adjusted manually for every sample. Computational advances could also enable 3D reconstructions, real-time depth maps or live video of microscopic processes.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tOptica\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник