2021-06-08 01:06:20 +0100
Макрообъективы - прекрасные фотографические инструменты, потому что они позволяют увидеть окружающий мир более детально и по-новому. Но что, если бы у вас был способ видеть еще ближе, так близко, что вы могли видеть настоящие атомы? Именно этим занимается исследовательская группа под руководством Дэвида Мюллера в Корнельском университете.
В 2018 году исследователи из Корнелла построили мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом, называемым птихографией, регистрировал изображение атомов с разрешением, в три раза превышающим разрешение современного электронного микроскопа. Три года спустя Мюллер, профессор инженерии Сэмюэля Б. Эккерта в Корнельском университете, проводит исследования с еще более впечатляющим детектором.
В статье группы «Электронная птихография достигает пределов атомного разрешения, установленных колебаниями решетки» описывается новый детектор массива пикселей электронного микроскопа (EMPAD), который включает более сложные алгоритмы трехмерной реконструкции. Комбинация EMPAD и алгоритмов настолько тонко настроена, что единственное размытие атомов на изображении происходит из-за «теплового покачивания» атомов.
«Это не просто новый рекорд, - сказал Мюллер, - он достиг режима, который фактически станет предельным пределом разрешения. По сути, теперь мы можем очень легко выяснить, где находятся атомы. Это открывает множество новых возможностей измерения того, что мы хотели делать очень давно. Это также решает давнюю проблему - устранение многократного рассеяния луча в образце, которое Ганс Бете изложил в 1928 году, - которое мешало нам сделать это в прошлом ».
Эта проблема с рассеянием затронула команду Мюллера еще в 2018 году, изображение показано ниже. В то время, учитывая используемый детектор и алгоритм, процесс птихографии был ограничен толщиной образца. Они могли изображать только образцы, которые были всего на несколько атомов толще. Более толстые образцы заставили бы электроны в образце рассеиваться таким образом, чтобы их было невозможно распутать.
«Птихография работает путем сканирования перекрывающихся диаграмм рассеяния образца материала и поиска изменений в области перекрытия», - сказал Дэвид Натт из Корнельского университета. «Мы гонимся за пятнами, которые очень похожи на узоры с лазерной указкой, которыми одинаково увлекаются кошки», - сказал Мюллер. Кстати, можно поиграть пианино онлайн. «Наблюдая за тем, как изменяется узор, мы можем вычислить форму объекта, который вызвал этот узор».
В то время как традиционные фотографы обычно стремятся достичь идеальной фокусировки, при захвате изображений в атомы лучше иметь EMPAD немного расфокусированным. Это позволяет команде захватывать более широкий диапазон данных, которые затем могут быть реконструированы с помощью сложных алгоритмов для создания окончательного, точного и четкого изображения. Изображение имеет точность до одной триллионной метра или пикометра.
С помощью этих новых алгоритмов мы теперь можем скорректировать все размытие нашего микроскопа до такой степени, что самый большой фактор размытия, который у нас остался, - это то, что сами атомы колеблются, потому что это то, что происходит с атомами при конечной температуре. - сказал Мюллер.
На этой схеме показано, как электронный зонд расфокусирован для захвата широкого диапазона данных, которые преобразуются в сверхточное изображение. Три нижних изображения - это дифракционные картины, смоделированные при освещении зонда в положениях, обведенных выше. Изображение и подпись предоставлены: Корнельский университет, 2020 г.
Хотя Мюллер считает, что команда достигла плато, вполне возможно, что команда сможет превзойти себя еще раз, используя материал с более тяжелыми атомами, который будет меньше колебаться, или снизив температуру образца. Хотя даже в этом случае атомы все еще испытывают квантовые флуктуации, поэтому улучшение может быть небольшим, конечно, не таким большим, как улучшение изображения 2018 года по сравнению с изображением, опубликованным в этом месяце.
У метода визуализации команды есть возможные приложения за пределами академических кругов. Возможность определять местонахождение отдельных атомов в трех измерениях может оказаться полезной при поиске примесей в полупроводниках, катализаторах и квантовых материалах, таких как те, которые используются в квантовых вычислениях. Метод визуализации можно использовать для биологических клеток или тканей, возможно, даже для синапсов внутри мозга.
Мюллер, который является одним из руководителей Института Кавли в Корнелле по наноразмерной науке и сопредседателем Целевой группы по наноразмерной науке и микросистемной инженерии (NEXT Nano), говорит: «Мы хотим применить это ко всему, что мы делаем. До сих пор мы все носили очень плохие очки. И теперь у нас действительно хорошая пара. Почему бы тебе не снять старые очки, надеть новые и носить их все время? »
Ведущий автор статьи - доктор наук Чжэнь Чен. Соавторы включают Даррел Шлом, Йи Цзян, Ю-Цун Шао, Меган Хольц и исследователей из Института Пола Шеррера и Института выращивания кристаллов Лейбница. Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Корнельскую платформу для ускоренной реализации, анализа и открытия интерфейсных материалов (PARADIM). Исследователи также использовали Корнельский центр исследований материалов, который поддерживается программой Центра исследований материалов и инженерии NSF.
