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X-선 초점 광학에 기반을 둔 새로운 홀로그래피 장비
ㆍ작성자: 전재필	ㆍ작성일: 2014-02-21 (금) 10:00	ㆍ조회: 1672

X-선 초점 광학에 기반을 둔 새로운 홀로그래피 장비

Stefan Eisebitt이 이끄는 연구진이 높은 공간 해상도로 역동적 과정의 스냅 샷을 가능케 하는 새로운 X-선 홀로그래피 도구를 개발했다. 이 도구의 효율은 영상화할 대상을 안정적으로 고정하는 X-선 초점 광학에 그 기반을 두고 있다. 이 접근 방법은 처음에는 매우 흐릿한 영상을 제공하지만, 홀로그램 정보를 기반으로 한 컴퓨터를 통해, 점차 명확해질 수 있다. 동시에, 대상 간의 확실한 연결 상태와 포커싱 광학은 나노미터 규모에 매우 큰 역할을 하는 지터(jitter)의 흔들리는 문제를 명쾌하게 해결할 수 있었다.
베를린 공과 대학(Technische Universitat Berlin) 나노미터 X-선 광학부서와 독일 헬레몰쯔-젠트럼 나노구조 연구소(HZB, Helmholtz-Zentrum Berlin)를 이끌고 있는 Stefan Eisebitt 교수는 “카메라의 빠른 대물렌즈를 이용하여, 당신은 아주 약한 빛에서도, 명확한 영상을 촬영할 수 있으며, 우리의 광학 소자는 또한 X-선 빛을 좀 더 효율적으로 사용할 수 있게끔 해준다. 동시에, 우리는 이 X-선 렌즈를 대상물과 확고히 결합시킴으로써, 진동이 더는 어떠한 영향도 미치지 못하고, 영상을 안정하게 해준다”고 설명했다. 그 결과, 저대비, 또는 움직이는 나노 개체도 명확한 영상으로 나올 수 있다.

X-선 홀로그래피의 경우에는, 빛의 전자기파가 간섭광이어야 한다. 이것은 레이저나, 또는 실험용 지멘스 스타(Siemens star)와 함께 도마뱀의 윤곽을 이용했다. 도마뱀의 꼬리와 지멘스 스타의 수렴하는 패턴은 영상에서 세밀한 선이 얼마나 잘 복구되는지 알 수 있게 한다. 육천분의 일 mm 직경의 실험용 물체는 적혈구의 크기와 비슷하다. 가능한 해상도는 46 nm 정도이다. BESSY II와 같은 싱크로트론 광원에 의해 생성되는 빛의 종류이다. 여기에서 사용되는 홀로그래피 과정에서는 X-선 빛의 일부가 개체에 비춰지고, 그것 중 일부는 참조파(reference wave)를 형성하기 위하여, 개체의 측면에 비스듬히 부착된 아주 작은 구멍의 조리개를 통해서 전달된다.

실험용 지멘스 스타(Siemens star)와 함께 도마뱀의 윤곽을 이용했다. 도마뱀의 꼬리와 지멘스 스타의 수렴하는 패턴은 영상에서 세밀한 선이 얼마나 잘 복구되는지 알 수 있게 한다. 육천분의 일 mm 직경의 실험용 물체는 적혈구의 크기와 비슷하다. 가능한 해상도는 46 nm 정도이다.

홀로그램은 두 파가 중첩되어, 그 결과가 탐지기에 기록됨으로써 형성된다. 그리고서 그 대상물의 홀로그래피 영상이 컴퓨터에 재구성된다. 그러나 작은 구멍 조리개의 접근 방법에는 단점이 있다. 명확한 영상을 산출하기 위해서는 이 조리개가 매우 작아야 하기 때문에, 아주 작은 빛만이 전송될 수 있다. 따라서 이 빛을 사용하여, 저대비 개체나 짧은 노출 시간 동안 좋은 영상을 산출하는 것은 매우 어려운 문제이다.

Eisebitt와 동료는 프레넬 띠판(Fresnel zone plate)이라고 알려진 광학 소자를 이용한 해결책을 발견했다. 이것이 핀홀 조리개를 대체하여, 대상물의 판에 놓이면, 참조파의 밝기에 상당히 증가한다. 그러나 이 광학 소자의 초점은 핀홀 조리개가 있어야 할 대상물의 판에 있지 않기 때문에, 그 영상은 초점을 벗어난다. 그러나 이 흐릿한 영상은 홀로그램에 저장되어 있는 정보를 통해서 정확하게 수정될 수 있다. 이 장비의 효율성으로 말미암아, 노출 시간은 상당히 줄어들고, 따라서 빠른 역동적 과정을 연구할 수 있는 장점이 있다. 대학원생인 Jan Geilhufe는 이러한 생각을 도입하여, 그것을 마침내 실현시켰다. 그는 또한 시범 개체로 도마뱀의 영상을 도입한 인물이기도 하다. 그것의 윤곽은 만 배로 감소하여, 금박으로 옮겨졌다. “이 장비가 얼마나 잘 작동하는지를 보여줄 만한 대상물을 찾는 것은 매우 중요한 일”이라고 Geilhufe가 말했다. 시범 개체의 중간에 있는 조개는 공간 해상도를 결정하기 위하여 사용되는 시범 패턴인 소위 지멘즈 스타(Siemens star)라고 불리는 부분을 보여주고 있다. 영상에서, 좁은 선폭이 어떻게 재현되는지를 측정하는데 사용되는 지멘스 스타 집중 빛살처럼, 당신은 도마뱀의 꼬리 또한 사용할 수 있다. 육천 분의 1 mm의 직경을 가진 이 전체 시범 개체의 길이는 적혈구의 크기와 비슷하다. 이 개체의 넓이 또한 46 nm를 넘지 않는다.

광학과 관련하여, 광학계에 관한 개체의 진동으로 말미암은 지터의 문제는 광학시스템의 해상도가 높을수록 급격하게 커진다. “고해상도 X-선 영상을 위한 현재의 연구에서는, 10 nm보다 작은 개체의 해상도가 목표이다. 그 거리는 백 개의 단일 원자 고리보다 조금 더 작다. 이러한 이유로, 아무리 작은 변동도 감지할 수 있다. 1 km 밖에서 지나가는 자동차도 방해가 될 수 있다. 연구 과정에서, 우리는 개체를 기준 광학과 확고히 결합시켰고, 따라서, 이 렌즈 변동은 정확히 개체와 동기화한다. 말하자면, 우리는 영상 안전장치를 가진 X-선 카메라를 구축했다”고 Geilhufe가 말했다. “HZB에서의 프레넬 띠판 제조를 위한 세계적인 전문가들의 결합과 “나노 연구소에서 제공하는 구조적 유연성이 이러한 성취를 가능케 했다”고 Eisebitt가 강조했다.

이 연구는 Nature Communications에 발표되었다. 영상 효율성의 향상과 공간 및 시간 해상도의 개선을 위한 결과의 가능성은 데이터 저장의 빠른 자기 스위치와 같은 역동적 나노 규모 과정을 위한 새로운 통찰력을 제시했다. “우리는 이 접근 방법이 많은 연구 분야에 유용하게 쓰이고, 나노미터 규모의 세계를 이해하는 도움을 주기를 희망한다”고 Eisebitt가 말했다. 그와 연구진은 그들의 새로운 홀로그래피 기술이 전 세계 과학자들에게 도움이 되기를 희망한다.

발췌 (본문 및 그림) : http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=244063&service_code=04