En una colaboración entre el Instituto Paul Scherrer (PSI), la EPFL de Lausana, ETH Zúrich y la Universidad del Sur de California, un grupo de investigadores ha logrado un avance sin precedentes: examinar el interior de un microchip utilizando rayos X con una resolución de 4 nanómetros, marcando un nuevo récord mundial. Las imágenes tridimensionales de alta resolución que han producido permitirán avances significativos en la tecnología y en las ciencias en general.
Avances en nanotecnología
Desde 2010, los científicos del Laboratorio de Macromoléculas y Bioimagen del PSI han estado desarrollando métodos de microscopía con el objetivo de crear imágenes tridimensionales en el rango de los nanómetros. En su investigación actual, que involucra a la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana), ETHZ (Escuela Politécnica Federal de Zúrich) y la Universidad del Sur de California, han logrado por primera vez capturar imágenes de microchips con una resolución de 4 nanómetros, es decir, 4 millonésimas de milímetro, estableciendo así un récord mundial.
De la microscopía electrónica a la tomografía con rayos X
Los microchips son maravillas tecnológicas, con más de 100 millones de transistores por milímetro cuadrado en los circuitos integrados avanzados. Sin embargo, caracterizar y mapear las estructuras resultantes de su compleja fabricación es un desafío. Mientras que los microscopios electrónicos de barrido tienen una resolución de pocos nanómetros, solo pueden producir imágenes bidimensionales de la superficie, ya que los electrones no penetran lo suficiente en el material. Por otro lado, la tomografía con rayos X permite crear imágenes tridimensionales no destructivas, ya que los rayos X pueden penetrar más profundamente en los materiales. Sin embargo, la resolución de estas imágenes ha sido limitada debido a la incapacidad de los lentes de rayos X actuales para enfocar la radiación de manera precisa en estructuras tan pequeñas.
Pticografía: el lente virtual
La solución a este problema ha sido la pticografía. En esta técnica, el haz de rayos X no se enfoca a escala nanométrica; en cambio, la muestra se mueve a escala nanométrica. Cada punto en una cuadrícula definida registra un patrón de difracción, y al combinarse estas imágenes mediante un algoritmo, se puede reconstruir una imagen de alta resolución.
En 2017, los investigadores lograron una resolución de 15 nanómetros en la imagen de un microchip, un récord en ese momento. Sin embargo, más tarde descubrieron que la inestabilidad del haz de rayos X, que «temblaba», estaba limitando la resolución. Al reducir el tiempo de exposición, las imágenes se volvieron más nítidas, pero con menos información.Para solucionar este problema, mejoraron su equipo con un detector más rápido, desarrollado en el PSI. Este detector permitió grabar múltiples imágenes en cada punto de la cuadrícula con tiempos de exposición cortos, y un nuevo algoritmo desarrollado por Tomas Aidukas permitió agrupar y sumar estas imágenes para producir una imagen final nítida y de alta resolución.
Implicaciones para la ciencia y la tecnología
El nuevo enfoque pticográfico es una técnica fundamental que puede aplicarse en otros campos, como la ciencia de materiales y la biología. Este logro subraya el compromiso continuo del PSI con la innovación y el desarrollo de nuevas tecnologías que amplían los límites de lo que es posible en la microscopía.
© Paul Scherrer Institute PSI/Mahir Dzambegovic
Acerca del Instituto Paul Scherrer
Paul Hermann Scherrer
Físico suizo
El Instituto Paul Scherrer (PSI) es una de las principales instituciones de investigación en Suiza, con un enfoque en tecnologías futuras, energía y clima, innovación en salud y fundamentos de la naturaleza. Con un equipo de 2300 personas, el PSI es el mayor instituto de investigación del país y se dedica a la formación de las futuras generaciones de científicos e ingenieros. El Instituto lleva su nombre en honor a Paul Scherrer, un destacado físico suizo conocido por sus importantes contribuciones a la física nuclear y la cristalografía, especialmente por el método de Debye-Scherrer para el estudio de estructuras cristalinas.
Fundado en 1988, el PSI es hoy el mayor centro de investigación multidisciplinaria de Suiza, reflejando el legado de Scherrer en su compromiso con la innovación científica y el avance de la tecnología. Su nombre simboliza la dedicación del instituto a la excelencia en la investigación y la educación científica, continuando la misión de Scherrer de impulsar el conocimiento y la colaboración en la ciencia.
