Un microscop uimitor vede atomii la rezoluția înregistrărilor

Această imagine arată o reconstrucție picografică electronică a unui cristal ortoscandat de praseodim (PrScO3), mărit de 100 de milioane de ori. Credit: Universitatea Cornell

În 2018, cercetătorii Cornell au construit un detector de mare putere care, în combinație cu un proces condus de un algoritm numit picotografie, a stabilit un record mondial triplând rezoluția unui microscop electronic de ultimă generație.

Deși a avut succes, această abordare a avut o slăbiciune. A funcționat doar cu probe ultrafine cu câțiva atomi în grosime. Orice lucru mai gros ar face ca electronii să se disperseze în moduri care nu ar putea fi descurcate.

Acum, o echipă, condusă din nou de David Muller, profesor de inginerie al lui Samuel B. Eckert, și-a depășit propriul record cu un factor de doi, cu un detector de pixeli cu microscop electronic (EMPAD) care încorporează algoritmi de reconstrucție 3D și mai sofisticați.

Rezoluția este atât de ajustată, încât singurul neclaritate rămasă este tremurul termic al atomilor înșiși.

Articolul grupului, „Ptchografia electronică realizează limite de rezoluție atomică stabilite de vibrațiile cu zăbrele”, publicat pe 20 mai în Science. Autorul principal al lucrării este cercetătorul postdoctoral Zhen Chen.

„Asta nu stabilește doar un nou record”, a spus Muller. „Am ajuns la un regim care va fi efectiv o limită finală de rezoluție. Practic, putem afla acum unde sunt atomii într-un mod foarte simplu. Acest lucru deschide o mulțime de noi posibilități de măsurare a lucrurilor pe care vrem să le facem pentru o lungă perioadă de timp. De asemenea, rezolvă o problemă de lungă durată: anularea împrăștierii multiple a fasciculului în eșantion, pe care Hans Bethe a stabilit-o în 1928, care ne-a împiedicat să facem acest lucru în trecut. “

Picotografia funcționează prin scanarea tiparelor de împrăștiere suprapuse ale unui eșantion de material și căutarea modificărilor în regiunea suprapusă.

„Urmărim modele clare care seamănă foarte mult cu modelele de pointer laser cu care pisicile sunt la fel de fascinate”, a spus Muller. „Văzând cum se schimbă modelul, putem calcula forma obiectului care a provocat modelul.”

Detectorul este ușor nefocalizat, estompând fasciculul, pentru a capta cât mai mult interval de date posibil. Aceste date sunt reconstituite prin intermediul algoritmilor complexi, rezultând o imagine ultra-precisă cu un picometru de precizie (un trilion de metri).

„Cu acești noi algoritmi, putem corecta acum toate estompările microscopului nostru până la punctul în care cel mai mare factor de estompare care ne-a rămas este faptul că atomii înșiși ezită, pentru că asta se întâmplă cu atomii la temperatură finită. „Când vorbim despre temperatură, ceea ce măsurăm cu adevărat este rata medie a numărului de pauze în atomi”.

Cercetătorii și-ar putea depăși din nou recordul folosind un material format din atomi mai grei, care oscilează mai puțin, sau prin răcirea probei. Dar chiar și la temperatura zero, atomii au încă fluctuații cuantice, astfel încât îmbunătățirea nu ar fi foarte mare.

Această ultimă formă de picografie electronică va permite oamenilor de știință să localizeze atomi individuali în toate cele trei dimensiuni atunci când pot fi ascunși în alte moduri folosind alte metode de imagistică. Cercetătorii vor putea, de asemenea, să găsească atomi de impuritate în configurații neobișnuite și să-i imagineze pe ei și vibrațiile lor, unul câte unul. Acest lucru poate fi deosebit de util în crearea de imagini cu semiconductori, catalizatori și materiale cuantice, inclusiv cele utilizate în calcul cuantic – precum și pentru a analiza atomii la granițele în care se leagă materialele.

Metoda imagistică ar putea fi aplicată și asupra celulelor sau țesuturilor biologice groase sau chiar pentru a sinapsi conexiunile cu creierul, ceea ce Muller știe ca „conectomică la cerere”.

Deși metoda necesită mult timp și este solicitantă din punct de vedere al calculului, ar putea fi eficientizată cu computere mai puternice, împreună cu învățarea automată și detectoare mai rapide.

„Vrem să-l aplicăm la tot ceea ce facem”, a spus Muller, care co-prezidează Institutul Cornell Kavli pentru Știința Nanoscală și co-prezidează grupul de lucru pentru Știința și Microsistemele Nanoscale (NEXT Nano), care face parte din radicalul Cornell inițiativă de colaborare. . „Până acum purtam ochelari foarte răi. Și acum avem un cuplu foarte bun. De ce nu ai vrea să-ți dai jos ochelarii vechi, să-i îmbraci pe cei noi și să-i porți tot timpul? “

Referință: „Picotografia electronică atinge limitele rezoluției atomice stabilite de vibrațiile de rețea” de Zhen hen, Yi Jiang, Yu-Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michal Odstrcil, Manuel Guizar-Sicairos, Isabelle Hanke, Steffen Ganschow, Darrell G. Schlom și David A. Mull, 21 mai 2021, Ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Printre coautori se numără Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson, profesor de chimie industrială; Yi Jiang, dr. ’18 și acum om de știință de date cu fascicul la Laboratorul Național Aronne; cercetători postdoctorali Yu-Tsun Shao și Megan Holtz, dr. ’17; și cercetători de la Institutul Paul Scherrer și Institutul Leibniz pentru Creșterea Cristalelor.

Cercetarea a fost susținută de Fundația Națională pentru Științe prin intermediul platformei Cornell pentru realizarea accelerată, analiza și descoperirea materialelor de interfață (PARADIM). Cercetătorii au folosit, de asemenea, Centrul Cornell pentru Cercetarea Materialelor, care este sprijinit de programul NSF pentru Cercetarea Materialelor și Centrul de Inginerie.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.