Исследователи из Корнелла увидели атомы с рекордным разрешением

В 2018 году исследователи из Корнелла создали мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом, называемым птихография, установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа.

Каким бы успешным он ни был, у этого подхода была слабость. Он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов. Что-нибудь более толстое приведет к тому, что электроны разлетятся так, что их нельзя будет распутать.

Теперь команда, снова возглавляемая Дэвидом Мюллером, профессором инженерных наук Сэмюэля Б. Эккерта, в два раза превзошла свой собственный рекорд с помощью детектора матрицы пикселей электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы трехмерной реконструкции.

Разрешение настолько точно настроено, что единственное размытие, которое остается, — это тепловое колебание самих атомов.

Статья группы «Электронная птихография достигает пределов атомного разрешения, установленных колебаниями решетки», опубликована 20 мая в журнале Science. Ведущий автор статьи — доктор наук Чжэнь Чен.

«Это не просто новый рекорд», — сказал Мюллер. «Достигнут режим, который фактически станет конечным пределом для разрешения. По сути, теперь мы можем очень легко выяснить, где находятся атомы. Это открывает множество новых возможностей измерения того, что мы очень давно хотели сделать. 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».

Птихография работает путем сканирования перекрывающихся схем рассеяния от образца материала и поиска изменений в области перекрытия.

«Мы ищем пятнистые узоры, которые очень похожи на узоры с лазерной указкой, которыми одинаково увлечены кошки», — сказал Мюллер. «Наблюдая за тем, как изменяется узор, мы можем вычислить форму объекта, вызвавшего этот узор».

Детектор слегка расфокусирован, размывая луч, чтобы получить как можно более широкий диапазон данных. Затем эти данные реконструируются с помощью сложных алгоритмов, в результате чего получается сверхточное изображение с точностью до пикометра (одна триллионная метра).

«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. «Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы измеряем среднюю скорость колебания атомов».

Исследователи могли бы снова побить свой рекорд, используя материал, который состоит из более тяжелых атомов, которые меньше колеблются, или охладив образец. Но даже при нулевой температуре атомы все равно имеют квантовые флуктуации, поэтому улучшение не будет очень большим.

Эта новейшая форма электронной птихографии позволит ученым определять местонахождение отдельных атомов во всех трех измерениях, в то время как в противном случае они могли бы быть скрыты с помощью других методов визуализации. Исследователи также смогут находить примесные атомы в необычных конфигурациях и отображать их и их колебания по одному. Это может быть особенно полезно при визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, включая те, которые используются в квантовых вычислениях, а также для анализа атомов на границах, где материалы соединяются вместе.

Метод визуализации можно также применить к толстым биологическим клеткам или тканям или даже к соединениям синапсов в мозгу — то, что Мюллер называет «коннектомикой по требованию».

Хотя этот метод требует много времени и вычислений, его можно было бы сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами.

«Мы хотим применить это ко всему, что мы делаем», — сказал Мюллер, один из руководителей Института Кавли в Корнелле по наноразмерной науке и сопредседатель Целевой группы по наноразмерной науке и микросистемной инженерии (NEXT Nano), являющейся частью инициативы Корнельского радикального сотрудничества. . «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 использовать их постоянно?»

Соавторы включают Даррелла Шлома, профессора промышленной химии Герберта Фиска Джонсона; И Цзян, доктор философии ’18, а теперь специалист по данным о лучевых путях в Аргоннской национальной лаборатории; докторанты Yu-Tsun Shao и Megan Holtz, Ph.D. ’17; и исследователи из Института Пауля 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 воспользовались услугами Корнельского центра исследований материалов, который поддерживается программой Центра исследований материалов и инженерии NSF.