Когерентная дифракционная микроскопия

Когерентная дифракционная микроскопия (КДМ) представляет собой метод исследования структуры вещества, основанный на использовании когерентного рентгеновского излучения, получаемого на синхротроне. В отличие от традиционной рентгеновской кристаллографии, где структура определяется через анализ дифракции на периодических решётках, КДМ позволяет восстанавливать изображение апериодических объектов — наночастиц, биологических макромолекул, аморфных или неупорядоченных структур. Ключевым элементом метода является регистрация дифракционной картины когерентного излучения и последующее восстановление фазы вычислительными алгоритмами.

Высокая пространственная когерентность синхротронного излучения делает возможным применение КДМ для получения изображений с нанометровым разрешением, даже без использования объективов или линз. Это особенно важно в рентгеновском диапазоне, где традиционные оптические элементы ограничены по эффективности и точности.

Роль когерентности и условия эксперимента

Для успешного применения КДМ требуется высокая степень когерентности рентгеновского пучка:

• Продольная когерентность связана с узкой спектральной шириной источника, обеспечиваемой монохроматорами.
• Поперечная когерентность определяется размерами источника и расстоянием до образца.

Современные синхротронные источники и особенно источники на основе лазеров на свободных электронах (XFEL) обеспечивают пучки с достаточной когерентностью и интенсивностью, что делает возможным исследование даже одиночных биомолекул.

Условие эксперимента требует регистрации дифракционной картины в так называемой зоне Френеля–Фраунгофера, то есть в режиме далёкого поля, где интерференционная структура отражает пространственное распределение амплитуд и фаз объектного волнового фронта.

Проблема фазы и алгоритмы восстановления изображения

При регистрации дифракционной картины фиксируется только интенсивность рассеянного излучения, тогда как информация о фазе теряется. Это известная фазовая проблема, аналогичная возникающей в кристаллографии.

В КДМ решение достигается за счёт применения итерационных численных алгоритмов:

• Алгоритм Герхберга–Сакстона — последовательное преобразование Фурье с наложением ограничений в прямом и обратном пространстве.
• Алгоритм Fienup (HIO) — метод гибридного ввода-вывода, устойчивый к локальным минимумам.
• Алгоритмы с использованием априорных ограничений (маска объекта, положительность плотности, ограниченная поддержка).

Именно эти вычислительные процедуры позволяют реконструировать реальное изображение образца с высоким разрешением, недостижимым при классической микроскопии.

Пространственное разрешение и его ограничения

Разрешение в КДМ определяется главным образом максимальным углом, под которым фиксируются дифрагированные лучи. Чем шире угловой диапазон регистрации, тем выше пространственная частота, доступная для восстановления. Таким образом, предел разрешения зависит от:

• размера детектора и его положения;
• интенсивности излучения и чувствительности детекторов;
• уровня шума и стабильности источника.

В современных установках достигается разрешение порядка 10–20 нм, а при использовании источников XFEL — ниже 5 нм.

Применения когерентной дифракционной микроскопии

КДМ применяется в широком спектре научных направлений, где необходимо изучение структуры объектов без разрушения и без необходимости кристаллизации:

1. Наноматериалы

   • исследование морфологии наночастиц;
   • анализ дефектов в нанокристаллах;
   • изучение магнитных и электронных доменов.

2. Биология и медицина

   • трёхмерная реконструкция вирусов, белков, клеточных органелл;
   • получение изображений в условиях, близких к нативным;
   • возможность работы с неупорядоченными системами.

3. Физика конденсированного состояния

   • изучение фазовых переходов в тонких плёнках и многослойных структурах;
   • динамические исследования процессов роста кристаллов;
   • анализ внутреннего напряжённого состояния микрообъектов.

4. Химия и материаловедение

   • структурный анализ катализаторов;
   • исследование пористых и аморфных материалов;
   • диагностика деградационных процессов.

Перспективы развития метода

Развитие КДМ тесно связано с совершенствованием источников когерентного излучения и вычислительных алгоритмов. Новые поколения синхротронов с ультранизкой эмиттансой значительно увеличивают когерентную долю излучения. Лазеры на свободных электронах обеспечивают импульсы с пиковой интенсивностью, позволяющие получать данные до разрушения образца.

В перспективе метод КДМ может привести к созданию рентгеновской нанотомографии, где будет возможна трёхмерная реконструкция сложных объектов с субнанометровым разрешением. В сочетании с временным разрешением фемтосекундных импульсов открываются возможности для исследования ультрабыстрой динамики атомных и электронных процессов.