Невероятный микроскоп видит атомы со стандартной точностью

На этом изображении показана электронно-телеграфная реконструкция ортодонтического кристалла празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз. Предоставлено: Корнельский университет.

В 2018 году исследователи из Корнелла создали мощный детектор в сочетании с основанным на алгоритме процессом, называемым птихография. Мировой рекорд В три раза больше разрешения современного электронного микроскопа.

Каким бы успешным он ни был, у этого подхода был недостаток. Я работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов. Что-нибудь более толстое приведет к неразделимому рассеянию электронов.

Теперь команда, возглавляемая Дэвидом Мюллером, профессором инженерии в Samuel B. Eckert, превзошла свой рекорд по коэффициенту множителя с помощью пиксельного матричного детектора электронной микроскопии (EMPAD), который включает более совершенные алгоритмы трехмерной реконструкции.

Точность точно настроена, и единственное остающееся искажение — это тепловая вибрация самих атомов.

Исследовательская статья группы «Электронная птихография достигает пределов атомного разрешения, определяемых вибрациями сетчатки», была опубликована 20 мая в журнале Science. Ведущий автор статьи — докторант Чжэнь Чен.

«Это не просто новый рекорд», — сказал Мюллер. Он пришел к системе, которая на самом деле была бы окончательным концом решения. По сути, теперь мы можем очень легко увидеть, где находятся атомы. Это открывает множество новых возможностей масштабирования для вещей, которые мы очень давно хотели сделать. Это также решает давнюю проблему — устранение многократного рассеивания луча в образце, которое Ханс Хаус установил в 1928 году, — что не позволяло нам делать это в прошлом ».

Птихография работает путем сканирования перекрывающихся шаблонов рассеяния из образца материала и поиска изменений в области перекрытия.

«Мы охотимся за точечными узорами, которые очень похожи на узоры лазерной указки, которые одинаково очаровывают кошек», — сказал Мюллер. «Наблюдая за тем, как изменился узор, мы можем вычислить форму объекта, вызвавшего этот узор».

Детектор немного расфокусирован, Размыть луч, Чтобы получить максимально широкий спектр данных. Затем эти данные восстанавливаются с помощью сложных алгоритмов, в результате чего получается изображение сверхвысокого разрешения с разрешением пикометра (одна триллионная метра).

«Используя эти новые алгоритмы, мы теперь можем скорректировать все размытие нашего микроскопа до такой степени, что самый большой фактор маскировки, который у нас есть, — это тот факт, что сами атомы колеблются, потому что это то, что происходит с атомами при конечной температуре», — сказал Мюллер. средняя скорость колебания атомов «.

Исследователи могли снова побить свой рекорд, используя вещество, состоящее из более тяжелых атомов с меньшими колебаниями, или охладив образец. Но даже при нулевой температуре атомы все еще испытывают квантовые флуктуации, поэтому улучшение не будет очень большим.

Эта новая форма электронной модульной визуализации позволит ученым определять местонахождение отдельных атомов во всех трех измерениях, когда они могут быть скрыты с помощью других методов визуализации. Исследователи также смогут находить примесные атомы в необычных конфигурациях и фотографировать их с их колебаниями, один за другим. Это может быть особенно полезно для визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, включая те, которые используются в Количественная статистика А также для анализа атомов на границах, где вещества связаны друг с другом.

Метод визуализации также может применяться к толстым биологическим клеткам или тканям или даже к синаптическим связям в мозгу — то, что Мюллер называет «нейронными связями по требованию».

Хотя этот метод требует много времени и вычислений, его можно сделать более эффективным, если использовать более мощные компьютеры в сочетании с машинным обучением и более быстрыми устройствами обнаружения.

«Мы хотим применить это ко всему, что мы делаем», — сказал Мюллер, который является одним из руководителей Института Кавли в Корнелле по наноразмерным наукам и сопредседателем Целевой группы по науке и инженерии микросистем (NEXT Nano), которая является частью радикальной группы Корнелла. Инициатива сотрудничества. . «До сих пор мы все носили очень плохие очки. А теперь у нас уже есть действительно хорошая пара. Почему бы тебе не снять старые очки, надеть новые и использовать их все время?»

Ссылка: «Электронная запись электрона достигает пределов атомарной точности, установленных колебаниями сети» Зайн Хен, Вэй Цзян, Вэй Цун Шао, Меган Э. Хольц, Майкл Одстерзель, Мануэль Джизар-Сикейрос, Изабель Ханки, Стивен Ганшу, Дэррил Дж. Шалом и Дэвид А. Молл, 21 мая 2021 г., Наука.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Среди соавторов — Дэрил Шлом, профессор промышленной химии в Herbert Fisk Johnson; И Цзян, доктор философии. 18 ‘В настоящее время он занимается исследованием данных о лучевых линиях в Аргоннской национальной лаборатории; Докторанты Ю-Цун Шао и Меган Хольц, Ph.D. ’17; И исследователи из Института Пауля Шеррера и Института выращивания кристаллов Лейбница.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Корнельскую платформу ускоренного восприятия, анализа и открытий для интерфейсных материалов (PARADIM). Исследователи также воспользовались услугами Корнельского центра исследований материалов, который поддерживается Программой исследований материалов, науки и инженерии Национального научного фонда.