Store data i atomskala:Ny detektor når ny grænse i hastighed

Fremskridt inden for elektronmikroskopi - ved hjælp af elektroner som billedværktøjer til at se ting langt uden for rækkevidde af konventionelle mikroskoper, der bruger lys - har åbnet et nyt vindue ind i nanoskalaverdenen og bragt en lang række prøver i fokus som aldrig før.

Elektronmikroskopi-eksperimenter kan kun bruge en brøkdel af den mulige information, der genereres, da mikroskopets elektronstråle interagerer med prøver. Nu, et team ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designet en ny slags elektrondetektor, der fanger al information i disse interaktioner.

Dette nye værktøj, en superhurtig detektor installeret 12. februar på Berkeley Labs Molecular Foundry, en videnskabelig brugerfacilitet i nanoskala, tager flere billeder hurtigere, afsløre detaljer i atomare skala over meget større områder, end det var muligt før. Molecular Foundry og dets elektronmikroskoper i verdensklasse i National Center for Electron Microscopy (NCEM) giver adgang til forskere fra hele verden.

Hurtigere billeddannelse kan også afsløre vigtige ændringer, som prøver gennemgår, og give film i forhold til isolerede øjebliksbilleder. Det kunne, for eksempel, hjælpe forskere med bedre at udforske arbejdende batteri og mikrochipkomponenter i atomskala før skadens begyndelse.

Detektoren, som har en særlig direkte forbindelse til Cori -supercomputeren på laboratoriets National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), vil gøre det muligt for forskere at optage billeder i atomskala med timing målt i mikrosekunder, eller milliontedele af et sekund – 60 gange hurtigere end muligt med eksisterende detektorer.

"Det er den hurtigste elektrondetektor, der nogensinde er lavet, "sagde Andrew Minor, NCEM facility director hos Molecular Foundry.

"Det åbner et nyt tidsregime at udforske med højopløselig mikroskopi. Ingen har nogensinde taget kontinuerlige film i denne tidsopløsning" ved hjælp af elektronisk billeddannelse, han sagde. "Hvad sker der? Der er muligvis alle former for dynamik. Vi ved det bare ikke, fordi vi aldrig har kunnet se på dem før." De nye film kunne afsløre små deformationer og bevægelser i materialer, for eksempel, og vise kemi i aktion.

Udviklingen af ​​den nye detektor, kendt som "4-D Camera" (til Dynamic Diffraction Direct Detector), er den seneste i en række af banebrydende innovationer inden for elektronmikroskopi, billeddannelse i atomskala, og højhastigheds dataoverførsel og computing på Berkeley Lab, der spænder over flere årtier.

"Vores gruppe har arbejdet i nogen tid på at lave bedre detektorer til mikroskopi, sagde Peter Denes, en seniorforsker fra Berkeley Lab og en mangeårig pioner inden for udviklingen af ​​elektronmikroskopi -værktøjer.

"Du får et helt spredningsmønster i stedet for kun et punkt, og du kan gå tilbage og genanalysere dataene for at finde ting, som du måske ikke fokuserede på før, " sagde Denes. Dette producerer hurtigt et komplet billede af en prøve ved at scanne hen over den med en elektronstråle og fange information baseret på de elektroner, der spredes fra prøven.

Mary Scott, en fakultetsforsker ved Molecular Foundry, sagde, at den nye detektors unikke geometri tillader undersøgelser af både lette og tunge elementer i materialer side om side. "Grunden til at du måske ønsker at udføre et af disse mere komplicerede eksperimenter ville være at måle positionerne af lette elementer, især i materialer, der kan være virkelig følsomme over for elektronstrålen - som lithium i et batterimateriale - og ideelt set ville du være i stand til også præcist at måle positionerne af tunge elementer i det samme materiale, " hun sagde.

Den nye detektor er blevet installeret på Transmission Electron Aberration-corrected Microscope 0.5 (TEAM 0.5) på Molecular Foundry, som satte rekorder i høj opløsning, da den blev lanceret ved NCEM for et årti siden og giver besøgende forskere adgang til enkeltatomopløsning for nogle prøver. Detektoren genererer hele 4 terabyte data pr. Minut.

"Mængden af ​​data svarer til at se omkring 60, 000 HD -film samtidigt, sagde Peter Ercius, en personaleforsker på Molecular Foundry, der har specialiseret sig i 3D-billedbehandling i atomskala.

Brent Draney, en netværksarkitekt på Berkeley Lab's NERSC, sagde, at Ercius og Denes havde henvendt sig til NERSC for at se, hvad det ville kræve at bygge et system, der kunne klare dette enorme, 400-gigabit datastrøm produceret af 4-D-kameraet.

Hans svar:"Vi har faktisk allerede et system, der er i stand til at gøre det. Det, vi virkelig skulle gøre, er at opbygge et netværk mellem mikroskopet og supercomputeren."

Kameradata overføres over omkring 100 fiberoptiske forbindelser til en højhastigheds-ethernetforbindelse, der er omkring 1, 000 gange hurtigere end det gennemsnitlige hjemmenetværk, sagde Ian Johnson, en personaleforsker i Berkeley Labs Engineering Division. Netværket forbinder støberiet med Cori -supercomputeren på NERSC.

Berkeley Labs Energy Sciences Network (ESnet), som forbinder forskningscentre med højhastighedsdatanetværk, deltog i indsatsen.

Ercius sagde, "Supercomputeren vil analysere dataene på omkring 20 sekunder for at give hurtig feedback til forskerne ved mikroskopet for at fortælle, om eksperimentet var vellykket eller ej."

Jim Ciston, en anden forsker i Molecular Foundry, sagde, "Vi vil faktisk fange hver elektron, der kommer gennem prøven, efterhånden som den er spredt. Gennem dette virkelig store datasæt vil vi være i stand til at udføre 'virtuelle' eksperimenter på prøven - vi behøver ikke at gå tilbage og tage nye data fra forskellige billedforhold. "

Arbejdet med den nye detektor og dens understøttende datasystemer bør gavne andre faciliteter, der producerer store datamængder, f.eks. den avancerede lyskilde og den planlagte opgradering, og LCLS-II-projektet ved SLAC National Accelerator Laboratory, Ciston bemærkede.

Den avancerede lyskilde, ESnet, Molekylært støberi, og NERSC er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

Udviklingen af ​​4-D-kameraet blev understøttet af Accelerator and Detector Research Program fra Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences, og arbejde på Molecular Foundry blev støttet af DOE's Office of Basic Energy Sciences.