Dodano: 26 maj 2021r.

Atomy zobrazowane w rekordowej rozdzielczości

Naukowcy z Cornell University opracowali technikę obrazowania, która pozwala lokalizować poszczególne atomy. Ich nowy detektor o dużej mocy, w połączeniu z obliczeniową metodą obrazowania mikroskopowego zwaną ptychografią, pozwala widzieć świat z rekordową rozdzielczością.

Atomy zobrazowane w rekordowej rozdzielczości

 

W 2018 roku uczeni z Cornell University zbudowali detektor o dużej mocy, dzięki któremu można było uzyskać obrazy z trzykrotnie większą rozdzielczością od najnowocześniejszych mikroskopów elektronowych. Choć zastosowane przez naukowców podejście było skuteczne, to miało słabą stronę. Detektor działał tylko z ultracienkimi próbkami o grubości kilku atomów. Cokolwiek grubszego mogło spowodować rozproszenie elektronów w sposób, którego nie dawało się skorygować.

Teraz ten sam zespół naukowców, ponownie kierowany przez Davida Mullera, dwukrotnie pobił swój własny rekord. Wszystko dzięki zastosowaniu detektora z matrycą pikseli mikroskopu elektronowego (EMPAD), który zawiera jeszcze bardziej wyrafinowane algorytmy rekonstrukcji trójwymiarowego obrazu. Rozdzielczość jest tak dopracowana, że jedynym rozmyciem, które nadal jest widoczne, jest drganie termiczne samych atomów.

Wyniki badań opublikowano na łamach pisma „Science” (DOI: 10.1126/science.abg2533).

Osiągnięto limit obrazowania?

- Nie tylko ustanowiliśmy nowy rekord. Doszliśmy do momentu, który może być ostatecznym limitem rozdzielczości. Możemy teraz w bardzo łatwy sposób dowiedzieć się, gdzie znajdują się atomy. Otwiera to wiele nowych możliwości pomiaru, o których od dawna marzyliśmy. Poradziliśmy sobie też z problemem rozpraszania promienia w próbce, które Hans Bethe dostrzegł w 1928 roku - powiedział Muller.

Zastosowana w detektorze ptychografia wykorzystuje zjawisko dyfrakcji i generuje obrazy poprzez przetwarzanie wielu nakładających się wzorców rozpraszania zebranych podczas skanowania próbek materiału i szukaniu w nakładającym się obszarze zmian. Rekonstrukcja obrazów w tej metodzie dokonywana jest przy pomocy algorytmów.

- Podążamy za wzorami w postaci plamek. Widząc, jak zmienia się wzór, jesteśmy w stanie obliczyć kształt obiektu - powiedział Muller.

Detektor jest lekko rozogniskowany, rozmywając wiązkę, aby uchwycić jak najszerszy zakres danych. Dane te są następnie rekonstruowane za pomocą złożonych algorytmów, dzięki czemu uzyskuje się bardzo precyzyjny obraz o dokładności do pikometra (jednej bilionowej metra).

- Dzięki tym nowym algorytmom jesteśmy teraz w stanie skorygować wszystkie rozmycia obrazu z naszego mikroskopu do tego stopnia, że ​​największym czynnikiem rozmycia, jaki pozostał, są drgania samych atomów - powiedział Muller.

Naukowcy mogliby spróbować ponownie pobić swój rekord, używając próbki składającej się z cięższych atomów, które mniej drgają, lub schładzając próbkę. Ale nawet w temperaturze bliskiej zera absolutnego, jak wskazują autorzy badań, atomy nadal mają fluktuacje kwantowe, więc poprawa nie byłaby zbyt duża.

Nowe możliwości

Opracowana nowa forma ptychografii elektronowej umożliwia naukowcom zlokalizowanie pojedynczych atomów w trójwymiarowej przestrzeni, co przy użyciu dotychczas stosowanych metod nie było możliwe. Dzięki tej technice możliwe również będzie znalezienie zanieczyszczeń atomowych w różnorakich materiałach. Może to być szczególnie pomocne w pracach nad półprzewodnikami, katalizatorami i materiałami kwantowymi, używanymi w komputerach kwantowych.

Ale nową metodę będzie także można zastosować w badaniach próbek biologicznych – komórek czy tkanek - a nawet połączeń synaps w mózgu.

Chociaż metoda ta jest czasochłonna i wymaga dużych mocy obliczeniowych, może być bardziej wydajna dzięki zastosowaniu sprawniejszych komputerów w połączeniu z uczeniem maszynowym.

 

Źródło i fot.: Cornell University