Vědci vidí atomy se standardní přesností

V roce 2018 vědci společnosti Cornell postavili vysoce výkonný detektor v kombinaci s procesem založeným na algoritmech zvaným ptychografie. Světový rekord Trojnásobným rozlišením pokročilého elektronového mikroskopu.

Jakkoli byl úspěšný, měl tento přístup slabost. Pracoval jsem jen se super tenkými vzorky, kterých bylo málo Atomy tlustý. Cokoli silnější by způsobilo, že se elektrony nerozlučně rozptýlí.

Nyní tým vedený Davidem Muellerem, profesorem inženýrství u Samuela B. Eckerta, překonal svůj multiplikační faktorový záznam pomocí detektoru elektronové mikroskopie Pixel Matrix (EMPAD), který obsahuje pokročilejší algoritmy 3D rekonstrukce.

Přesnost je jemně vyladěna a jediným zbývajícím zkreslením je tepelná vibrace samotných atomů.

Dokument skupiny „Electron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations“, byl publikován 20. května v Věda. Hlavním autorem článku je postdoktorandský výzkumník Zhen Chen.

„Nestanoví to jen nový rekord,“ řekl Mueller. „Dosáhlo systému, který bude ve skutečnosti konečným limitem přesnosti. Nyní můžeme v podstatě velmi snadno zjistit, kde jsou atomy. To otevírá spoustu nových možností škálování věcí, které jsme chtěli udělat řeší také dlouhodobý problém – eliminuje vícenásobný rozptyl paprsku ve vzorku, který vyvinul Hans Bethe v roce 1928 – který nám v tom v minulosti bránil. “

Ptychografie pracuje skenováním překrývajících se rozptylových vzorů ze vzorku materiálu a hledáním změn v překrývající se oblasti.

„Pronásledujeme skvrnité vzory, které jsou velmi podobné vzorům laserového ukazovátka, které kočky stejně fascinují,“ řekl Mueller. „Když vidíme, jak se vzor mění, můžeme vypočítat tvar objektu, který způsobil vzor.“

Detektor je mírně neurčitý, Rozmazat paprsek, Za účelem získání co nejširšího rozsahu dat. Tato data jsou poté rekonstruována pomocí složitých algoritmů, což vede k obrazu se super rozlišením s rozlišením mikrometru (jedna biliontina metru).

„Pomocí těchto nových algoritmů můžeme nyní opravit všechny naše mikroskopické rozmazání do bodu, kdy největším kamuflážním faktorem, který máme, je skutečnost, že atomy samy kmitají, protože to se děje atomům při konečné teplotě,“ řekl Mueller. průměrná rychlost, kolik atomy vibrují. “

Vědci mohli znovu překonat svůj rekord použitím látky složené z těžších atomů s menší fluktuací nebo ochlazením vzorku. Ale i při nulové teplotě atomy stále zažívají kvantové výkyvy, takže zlepšení by nebylo příliš velké.

Tato novější forma elektronového modulárního zobrazování umožní vědcům lokalizovat jednotlivé atomy ve všech třech rozměrech, pokud je lze jinak skrýt pomocí jiných zobrazovacích metod. Vědci také budou moci najít atomy nečistot v neobvyklých konfiguracích a fotografovat je svými vibracemi, jeden po druhém. To může být užitečné zejména pro zobrazování polovodičů, katalyzátorů a kvantových materiálů – včetně těch, které se používají při kvantovém výpočtu – a také pro analýzu atomů na hranicích, kde jsou materiály spojeny dohromady.

Zobrazovací metodu lze také použít na buňky, silnější biologické tkáně nebo dokonce na synaptická spojení v mozku – to Mueller označuje jako „spojení na vyžádání“.

I když je tato metoda časově náročná a výpočetně náročná, lze ji zefektivnit pomocí výkonnějších počítačů ve spojení se strojovým učením a rychlejšími detekčními zařízeními.

„Chceme to aplikovat na všechno, co děláme,“ řekl Mueller, který řídí Institut Kavli v Cornellu pro Nanoscale Science a spolupředsedá pracovní skupině Nano Systems Engineering Task Force (NEXT Nano), která je součástí iniciativy Cornell’s Radical Collaboration. . „Až dosud jsme všichni nosili opravdu špatné brýle. A teď už máme opravdu dobrý pár. Proč si nechcete sundat staré brýle, nosit ty nové a používat je pořád?“