Фотография атомов с самым высоким разрешением

В 2018 году исследователи из Корнелла построили мощный детектор, который установил мировой рекорд для современного электронного микроскопа с самым высоким разрешением, который на тот момент утроил предыдущее разрешение, которое он мог захватывать. Теперь они побили собственный рекорд в два раза.

Дэвид Натт из Корнельского университета пишет, что, несмотря на то, что первый подход Дэвида Мюллера, профессора инженерных наук Сэмюэля Б. Эккерта, был успешным в 2018 году, он был несовершенным. Он работал только с "ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов". Немного толще, и электроны разлетятся так, что их невозможно будет распутать.

Однако 20 марта 2021 года Мюллер снова возглавил команду, которая побила свой собственный рекорд с так называемым детектором матрицы пикселей электронного микроскопа (EMPAD), который имеет еще более сложные алгоритмы 3D-реконструкции и разрешение которого настолько точно настроено, что размытие, видимое на готовом изображении, связано только с движением самих атомов.

Полученная фотография (выше) изображает электронную психологическую реконструкцию кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенную в 100 миллионов раз. Полный отчет о результатах этого эксперимента опубликован здесь.

"Это не просто новый рекорд", - говорит 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".

Микроскоп делает снимки с помощью вычислительного метода микроскопической визуализации, называемого птихографией. Он генерирует изображения путем обработки нескольких когерентных интерференционных паттернов, рассеянных от определенного объекта, и ищет изменения в перекрывающихся областях. Увидев, как меняется узор, исследователи смогли вычислить форму объекта, который вызвал этот узор.

"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, - продолжает Мюллер. Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы измеряем среднюю скорость колебания атомов".

Возможно, исследователям снова удастся побить собственный мировой рекорд, используя материал, состоящий из более тяжелых атомов, поскольку они меньше колеблются, или путем охлаждения образца, что также уменьшает движение атомов. Предполагается, что атомы перестают двигаться при абсолютном нуле, но достичь этой температуры пока невозможно. В результате любая пониженная температура, которой могут достичь исследователи, не может существенно уменьшить движение атомов.

"Мы хотим применить это ко всему, что мы делаем", - говорит Мюллер. "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 все время? "

Фото предоставлено Корнельским университетом.