Vedci pozorujú atómy v rekordnom rozlíšení

V roku 2018 výskumníci spoločnosti Cornell vytvorili vysoko výkonný detektor, ktorý v kombinácii s algoritmom riadeným procesom nazývaným pikeografia nastavuje Svetový rekord Trojnásobným zvýšením rozlíšenia najmodernejšieho elektrónového mikroskopu.

Akokoľvek úspešný bol, tento prístup mal slabosť. Fungovalo to iba s ultratenkými vzorkami, ktorých bolo málo Atómy Tuk. Čokoľvek hrubšie spôsobí, že sa elektróny rozptýlia spôsobom, ktorý sa nedá rozložiť.

Tím pod vedením Davida Mullera, profesora inžinierstva Samuela B. Eckerta, dosiahol svoj vlastný rekord dvakrát najlepšie pomocou detektora pixelového poľa elektrónového mikroskopu (EMPAD), ktorý obsahuje ešte sofistikovanejšie algoritmy 3D rekonštrukcie.

Rozlíšenie je také presné, jediné tlmenie, ktoré zostáva, je tepelné kmitanie atómov.

Dokument skupiny „Elektrónová pikografia dosahuje limity atómového rozlíšenia stanovené mriežkovými vibráciami“, zverejnený 20. mája Veda. Hlavnou autorkou príspevku je postdoktorandská výskumná pracovníčka Jane Chen.

„Neurobí to iba nový rekord,“ uviedol Muller. „Dosiahla režim, ktorý bude v skutočnosti konečnou prahovou hodnotou pre rozlíšenie. V zásade teraz môžeme veľmi ľahko zistiť, kde sú atómy. Je to úplne nové meranie týchto vecí, čo otvára možnosti, ktoré chceme pre veľmi dlho. Rieši to tiež dlhodobý problém – zrušenie viacnásobného rozptylu lúča vo vzorke, ktorý vložil Hans Bethe v roku 1928 – čo nám v minulosti v tom bránilo. “

Pykografia funguje tak, že skenuje prekrývajúce sa vzory rozptylu zo vzoriek materiálu a hľadá zmeny v prekrývajúcej sa oblasti.

„Sledujeme škvrnité vzory, ktoré vyzerajú ako tie vzory laserového ukazovateľa, ktoré fascinujú mačky rovnako,“ uviedol Muller. „Z pohľadu toho, ako sa vzor mení, sme schopní vypočítať veľkosť objektu, ktorý vzor spôsobuje.“

Detektor je trochu rozptýlený, Rozmazanie lúča, Ak chcete zachytiť čo najširšiu škálu možných údajov. Tieto údaje sa potom rekonštruujú pomocou zložitých algoritmov, výsledkom čoho je superponovaný obraz s presnosťou picometera (jedna bilióntina metra).

„S týmito novými algoritmami sme teraz schopní opraviť všetky rozmazania nášho mikroskopu, ktoré nám zostávajú v najväčšom rozmazávaní, že atómy samotné sa kolíšu, ako by to bolo v prípade atómov pri konečných teplotách.“ Povedal Muller. „Keď hovoríme o teplote, to, čo skutočne meriame, je priemerná rýchlosť pohybu atómov.“

Vedci by mohli svoje záznamy znova doplniť pomocou materiálu, ktorý obsahuje ťažšie atómy, ktoré sa potácajú menej, alebo zmrazením vzorky. Ale aj pri nulovej teplote majú atómy stále kvantové výkyvy, takže korekcia nebude veľmi veľká.

Táto najnovšia forma elektrónovej pikografie umožní vedcom detekovať jednotlivé atómy vo všetkých troch dimenziách, keď by inak mohli byť skryté pomocou iných zobrazovacích metód. Vedci budú tiež schopní nájsť atómy nečistôt v neobvyklých konfiguráciách a dať im a ich vibráciám po jednom obraze. To môže byť obzvlášť užitočné pri zobrazovaní polovodičov, katalyzátorov a kvantových materiálov – vrátane materiálov používaných pri kvantovej výpočte – ako aj pri analýze atómov na hraniciach, kde sa materiál spája.

Zobrazovaciu metódu je možné použiť aj na synaptické spojenia v hrubých biologických bunkách alebo tkanivách alebo dokonca v mozgu – čo Müller označuje ako „konektomiku na požiadanie“.

Aj keď je metóda časovo náročná a výpočtovo náročná, je možné ju zefektívniť výkonnejšími počítačmi kombinujúcimi strojové učenie a rýchlejšie detektory.

„Chceme to aplikovať na všetko, čo robíme,“ uviedol Muller, ktorý riadi Cavaliho inštitút pre vedu o nanometroch v spoločnosti Cornell a Nanoscale Science and Microsystems Engineering (súčasť Iniciatívy pre radikálnu spoluprácu Cornell) Next Nano) spolupredsedá pracovnej skupine. . . „Zatiaľ sme všetci nosili naozaj zlé okuliare. A teraz máme skutočne dobrý pár. Prečo by ste nechceli zložiť staré okuliare, nasadiť si nové a používať ich stále?“