Ένα απίστευτο μικροσκόπιο βλέπει άτομα με τυπική ακρίβεια

Το 2018, οι ερευνητές του Cornell δημιούργησαν έναν ανιχνευτή υψηλής ισχύος, σε συνδυασμό με μια διαδικασία που βασίζεται σε αλγόριθμο που ονομάζεται ptychography. Παγκόσμιο ρεκόρ Με τριπλή ανάλυση της προηγμένης ηλεκτρονικής μικροσκόπιο.

Όσο επιτυχημένη ήταν, αυτή η προσέγγιση είχε μια αδυναμία. Δούλεψα μόνο με δείγματα ultrathin πάχους μερικών ατόμων. Οτιδήποτε παχύτερο θα προκαλούσε τη διασπορά των ηλεκτρονίων με αδιαχώριστους τρόπους.

Τώρα μια ομάδα, με επικεφαλής τον David Mueller, καθηγητή μηχανικής στο Samuel B. Eckert, έχει ξεπεράσει το ρεκόρ πολλαπλασιαστικού παράγοντα με τον Ηλεκτρονικό Μικροσκοπικό Pixel Matrix Detector (EMPAD) που ενσωματώνει πιο προηγμένους αλγόριθμους 3D ανακατασκευής.

Η ακρίβεια είναι συντονισμένη και η μόνη παραμόρφωση που απομένει είναι η θερμική δόνηση των ίδιων των ατόμων.

Το ερευνητικό έγγραφο της ομάδας, “Όρια ατομικής-ανάλυσης ηλεκτρονίων Ptychography Achiives που προσδιορίζονται από τους κραδασμούς του αμφιβληστροειδούς”, δημοσιεύθηκε στις 20 Μαΐου στο Science. Ο κύριος συγγραφέας της εφημερίδας είναι ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Ζεν Τσεν.

«Δεν δημιουργεί απλώς ένα νέο ρεκόρ», είπε ο Mueller. Έφτασε σε ένα σύστημα που θα ήταν πραγματικά το τελικό τέλος της λύσης. Βασικά, μπορούμε τώρα να δούμε πού βρίσκονται τα άτομα με πολύ εύκολο τρόπο. Αυτό ανοίγει πολλές νέες δυνατότητες κλιμάκωσης για τα πράγματα που θέλουμε να κάνουμε για πολύ καιρό. Επιλύει επίσης ένα μακροχρόνιο πρόβλημα – αναίρεση της πολλαπλής διασποράς της δέσμης στο δείγμα, το οποίο ο Hans House θέσπισε το 1928 – που μας εμπόδισε να το κάνουμε στο παρελθόν. “

Το Ptychography λειτουργεί σαρώνοντας επικαλυπτόμενα μοτίβα σκέδασης από ένα δείγμα υλικού και αναζητώντας αλλαγές στην επικαλυπτόμενη περιοχή.

«Ψάχνουμε για πλακάτα που μοιάζουν πολύ με τα μοτίβα δείκτη λέιζερ που οι γάτες είναι εξίσου γοητευμένες», είπε ο Mueller. “Βλέποντας πώς άλλαξε το μοτίβο, μπορούμε να υπολογίσουμε το σχήμα του αντικειμένου που προκάλεσε το μοτίβο.”

Ο ανιχνευτής είναι ελαφρώς αόριστος, Θολώστε την ακτίναΓια να αποκτήσετε το ευρύτερο δυνατό εύρος δεδομένων. Αυτά τα δεδομένα στη συνέχεια ανακατασκευάζονται μέσω σύνθετων αλγορίθμων, με αποτέλεσμα μια εικόνα υπερ-ανάλυσης με ανάλυση ενός πικόμετρου (ένα τρισεκατομμύριο του μέτρου).

«Χρησιμοποιώντας αυτούς τους νέους αλγόριθμους, μπορούμε τώρα να διορθώσουμε όλη τη θόλωση του μικροσκοπίου μας στο σημείο όπου ο μεγαλύτερος παράγοντας καμουφλάζ που έχουμε είναι το γεγονός ότι τα ίδια τα άτομα ταλαντεύονται, γιατί αυτό συμβαίνει στα άτομα σε μια πεπερασμένη θερμοκρασία», δήλωσε ο Mueller. τη μέση ταχύτητα του πόσο δονείται τα άτομα. “

Οι ερευνητές θα μπορούσαν να κερδίσουν ξανά το ρεκόρ τους χρησιμοποιώντας μια ουσία αποτελούμενη από βαρύτερα άτομα με λιγότερες διακυμάνσεις ή με ψύξη του δείγματος. Αλλά ακόμη και σε μηδενική θερμοκρασία, τα άτομα εξακολουθούν να εμφανίζουν κβαντικές διακυμάνσεις, οπότε η βελτίωση δεν θα ήταν πολύ μεγάλη.

Αυτή η νεότερη μορφή ηλεκτρονικής απεικονιστικής απεικόνισης θα επιτρέψει στους επιστήμονες να εντοπίσουν μεμονωμένα άτομα και στις τρεις διαστάσεις όταν μπορούν διαφορετικά να κρυφτούν χρησιμοποιώντας άλλες μεθόδους απεικόνισης. Οι ερευνητές θα μπορούν επίσης να βρίσκουν άτομα ακαθαρσίας σε ασυνήθιστες διαμορφώσεις και να τα φωτογραφίζουν με τις δονήσεις τους, ένα προς ένα. Αυτό μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για την απεικόνιση ημιαγωγών, καταλυτών και κβαντικών υλικών – συμπεριλαμβανομένων αυτών που χρησιμοποιούνται στο Ποσοτικές στατιστικές Και επίσης για την ανάλυση των ατόμων στα όρια όπου οι ουσίες συνδέονται μεταξύ τους.

Η μέθοδος απεικόνισης μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε παχιά βιολογικά κύτταρα ή ιστούς, ή ακόμη και συναπτικές συνδέσεις στον εγκέφαλο – αυτό που ο Mueller αναφέρεται ως “νευρικές συνδέσεις κατ ‘απαίτηση.”

Ενώ αυτή η μέθοδος είναι χρονοβόρα και υπολογιστικά απαιτητική, μπορεί να γίνει πιο αποτελεσματική χρησιμοποιώντας πιο ισχυρούς υπολογιστές σε συνδυασμό με μηχανική εκμάθηση και συσκευές ταχύτερης ανίχνευσης.

«Θέλουμε να το εφαρμόσουμε σε ό, τι κάνουμε», δήλωσε ο Mueller, ο οποίος συν-διευθύνει το Ινστιτούτο Kavli στο Cornell για Nanoscale Science και συμπροεδρεύει την Ομάδα Συστημάτων Επιστήμης και Μηχανικής Μικρών Συστημάτων (NEXT Nano), η οποία είναι μέρος του Cornell’s Radical Πρωτοβουλία συνεργασίας. . “Μέχρι τώρα, όλοι φορούσαμε πραγματικά άσχημα γυαλιά. Και τώρα έχουμε ήδη ένα πολύ καλό ζευγάρι. Γιατί δεν θέλετε να βγάζετε τα παλιά γυαλιά, να φοράτε καινούργια και να τα χρησιμοποιείτε συνεχώς;”

Η αναφορά: «Η ηλεκτρονική γραφή του ηλεκτρονίου επιτυγχάνει τα όρια της ατομικής ακρίβειας που ορίζονται από τις δονήσεις του δικτύου» από τους Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom και David A. Mall, 21 Μαΐου 2021, Επιστήμη.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Μεταξύ των συν-συγγραφέων είναι ο Daryl Shlom, καθηγητής Βιομηχανικής Χημείας στο Herbert Fisk Johnson. Yi Jiang, διδακτορικό. 18 «Είναι πλέον επιστήμονας δεδομένων ακτίνων γραμμών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne. Μεταδιδακτορικοί ερευνητές Yu-Tsun Shao και Megan Holtz, Ph.D. ’17; Και ερευνητές από το Ινστιτούτο Paul Scherrer και το Ινστιτούτο Κρυστάλλινης Ανάπτυξης του Leibniz.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών μέσω του Cornell Accelerated Perception, Analysis και Discovery Platform for Interface Materials (PARADIM). Οι ερευνητές επωφελήθηκαν επίσης από το Κέντρο Έρευνας Υλικών Cornell, το οποίο υποστηρίζεται από το Κέντρο Έρευνας Υλικών, Επιστημών και Μηχανικών του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος.