Forskere ser atomer i rekordopløsning

I 2018, Cornell-forskere byggede en kraftig detektor, der i kombination med en algoritme-drevet proces kaldet ptychography, satte verdensrekord ved at tredoble opløsningen af ​​et avanceret elektronmikroskop.

Så vellykket som det var, den tilgang havde en svaghed. Det fungerede kun med ultratynde prøver, der var nogle få atomer tykke. Alt tykkere ville få elektronerne til at spredes på måder, der ikke kunne skilles ad.

Nu et hold, igen ledet af David Muller, Samuel B. Eckert professor i ingeniørvidenskab, har slået sin egen rekord med en faktor to med en elektronmikroskop pixel array detector (EMPAD), der inkorporerer endnu mere sofistikerede 3D-rekonstruktionsalgoritmer.

Opløsningen er så finjusteret, den eneste sløring, der er tilbage, er den termiske jiggling af selve atomerne.

Gruppens papir, "Electron Ptychography opnår atomopløsningsgrænser sat af gittervibrationer, " udgivet 20. maj i Videnskab . Artiklens hovedforfatter er postdoc-forsker Zhen Chen.

"Dette sætter ikke bare en ny rekord, " sagde Muller. "Det har nået et regime, som reelt vil være en ultimativ grænse for løsning. Vi kan nu grundlæggende finde ud af, hvor atomerne er på en meget nem måde. Dette åbner op for en hel masse nye målemuligheder af ting, vi har ønsket at gøre i meget lang tid. Det løser også et langvarigt problem - at fortryde den multiple spredning af strålen i prøven, som Hans Bethe lagde ud i 1928 - det har forhindret os i at gøre dette tidligere."

Ptychografi fungerer ved at scanne overlappende spredningsmønstre fra en materialeprøve og lede efter ændringer i det overlappende område.

"Vi jagter pletter-mønstre, der ligner de laser-pointer-mønstre, som katte er lige så fascinerede af, " sagde Muller. "Ved at se, hvordan mønsteret ændrer sig, vi er i stand til at beregne formen på det objekt, der forårsagede mønsteret."

Detektoren er lidt defokuseret, sløring af strålen, for at fange den bredest mulige række af data. Disse data rekonstrueres derefter via komplekse algoritmer, hvilket resulterer i et ultrapræcis billede med picometer-præcision (en trilliontedel af en meter).

"Med disse nye algoritmer, vi er nu i stand til at korrigere for al sløring af vores mikroskop til det punkt, at den største sløringsfaktor, vi har tilbage, er det faktum, at atomerne selv slingrer, fordi det er hvad der sker med atomer ved endelig temperatur, " sagde Muller. "Når vi taler om temperatur, Det, vi rent faktisk måler, er den gennemsnitlige hastighed for, hvor meget atomerne svinger."

Forskerne kunne muligvis toppe deres rekord igen ved at bruge et materiale, der består af tungere atomer, som vakler mindre, eller ved at køle prøven ned. Men selv ved nul temperatur, atomer har stadig kvanteudsving, så forbedringen ville ikke være særlig stor.

Denne seneste form for elektronptykografi vil gøre det muligt for forskere at lokalisere individuelle atomer i alle tre dimensioner, når de ellers kan være skjult ved hjælp af andre billeddannelsesmetoder. Forskere vil også være i stand til at finde urenhedsatomer i usædvanlige konfigurationer og afbilde dem og deres vibrationer, en ad gangen. Dette kunne være særligt nyttigt ved billeddannelse af halvledere, katalysatorer og kvantematerialer - inklusive dem, der bruges i kvanteberegninger - såvel som til at analysere atomer ved grænserne, hvor materialer er forbundet med hinanden.

Billeddannelsesmetoden kan også anvendes på tykke biologiske celler eller væv, eller endda synapseforbindelserne i hjernen - hvad Muller refererer til som "connectomics on demand."

Selvom metoden er tidskrævende og beregningsmæssigt krævende, det kunne gøres mere effektivt med mere kraftfulde computere i forbindelse med maskinlæring og hurtigere detektorer.

"Vi ønsker at anvende dette på alt, hvad vi gør, sagde Muller, som medleder Kavli Institute på Cornell for Nanoscale Science og er medformand for Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, del af Cornells initiativ for radikalt samarbejde. "Indtil nu, vi har alle haft rigtig dårlige briller på. Og nu har vi faktisk et rigtig godt par. Hvorfor vil du ikke tage de gamle briller af, tag de nye på, og bruger dem hele tiden?"