Un incredibile microscopio vede gli atomi con una precisione standard

Nel 2018, i ricercatori della Cornell hanno costruito un rilevatore ad alta potenza, in combinazione con un processo basato su algoritmi chiamato ptychography. Record mondiale Con una risoluzione tripla rispetto a un microscopio elettronico avanzato.

Per quanto riuscito, questo approccio aveva un punto debole. Ho lavorato solo con campioni ultrasottili di pochi atomi di spessore. Qualunque cosa più densa causerebbe la dispersione degli elettroni in modi inseparabili.

Ora un team, guidato da David Mueller, professore di ingegneria presso Samuel B. Eckert, ha superato il record del suo fattore moltiplicatore con l’Electron Microscopy Pixel Matrix Detector (EMPAD) che incorpora algoritmi di ricostruzione 3D più avanzati.

La precisione è finemente regolata e l’unica distorsione rimasta è la vibrazione termica degli atomi stessi.

Il documento di ricerca del gruppo, «Electron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits Identified by Retinal Vibrations», è stato pubblicato il 20 maggio su Science. L’autore principale dell’articolo è il ricercatore post-dottorato Zhen Chen.

«Non si limita a stabilire un nuovo record», ha detto Mueller. È arrivato a un sistema che sarebbe stato effettivamente il punto finale della soluzione. Fondamentalmente ora possiamo vedere dove sono gli atomi in un modo molto semplice. Questo apre molte nuove possibilità di ridimensionamento per le cose che volevamo fare da molto tempo. Risolve anche un problema di vecchia data – annullando la dispersione multipla del raggio nel campione, che Hans House ha messo in atto nel 1928 – che ci ha impedito di farlo in passato «.

La tipicografia funziona scansionando modelli di dispersione sovrapposti da un campione di materiale e cercando i cambiamenti nella regione di sovrapposizione.

«Stiamo cercando modelli di punti che sono molto simili ai modelli di puntatore laser da cui i gatti sono ugualmente affascinati», ha detto Mueller. «Vedendo come cambia il motivo, possiamo calcolare la forma dell’oggetto che ha causato il motivo.»

Il rilevatore è leggermente sfocato, Sfoca il raggio, Al fine di ottenere la più ampia gamma di dati possibile. Questi dati vengono quindi ricostruiti tramite algoritmi complessi, ottenendo un’immagine a super risoluzione con una risoluzione di un micrometro (un trilionesimo di metro).

«Usando questi nuovi algoritmi, ora possiamo correggere tutta la sfocatura del nostro microscopio al punto in cui il più grande fattore di mimetizzazione che abbiamo è il fatto che gli atomi stessi oscillano, perché questo è ciò che accade agli atomi a una temperatura finita», ha detto Mueller. la velocità media di quanto vibrano gli atomi. «

I ricercatori potrebbero battere nuovamente il loro record utilizzando una sostanza composta da atomi più pesanti con minori fluttuazioni o raffreddando il campione. Ma anche a temperatura zero, gli atomi subiscono ancora fluttuazioni quantistiche, quindi il miglioramento non sarebbe molto grande.

Questa nuova forma di imaging modulare elettronico consentirà agli scienziati di individuare i singoli atomi in tutte e tre le dimensioni quando possono essere altrimenti nascosti utilizzando altri metodi di imaging. I ricercatori saranno anche in grado di trovare atomi di impurità in configurazioni insolite e fotografarli con le loro vibrazioni, uno per uno. Ciò può essere particolarmente utile per l’imaging di semiconduttori, catalizzatori e materiali quantistici, compresi quelli utilizzati in Statistiche quantitative E anche per l’analisi degli atomi ai confini in cui le sostanze sono legate insieme.

Il metodo di imaging può essere applicato anche a cellule, tessuti biologici spessi o persino connessioni sinaptiche nel cervello, che Mueller definisce «connessioni su richiesta».

Sebbene questo metodo sia dispendioso in termini di tempo e di calcolo, può essere reso più efficiente utilizzando computer più potenti in combinazione con l’apprendimento automatico e dispositivi di rilevamento più veloci.

«Vogliamo applicare questo a tutto ciò che facciamo», ha detto Mueller, che co-dirige il Kavli Institute della Cornell per Nanoscale Science e co-presiede la Micro Systems Science and Engineering Task Force (NEXT Nano), che fa parte del Radical di Cornell Iniziativa di collaborazione. . «Fino ad ora, abbiamo tutti indossato occhiali davvero brutti. E ora ne abbiamo già un bel paio. Perché non vuoi toglierti i vecchi occhiali, indossare quelli nuovi e usarli tutto il tempo?»

Il riferimento: «La scrittura elettronica dell’elettrone raggiunge i limiti di precisione atomica fissati dalle vibrazioni della rete» di Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom e David A. Mall, 21 maggio 2021, Scienza.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Tra i coautori c’è Daryl Shlom, professore di chimica industriale presso Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, PhD. 18 “Ora è un data scientist di ray-line presso l’Argonne National Laboratory; I ricercatori post-dottorato Yu-Tsun Shao e Megan Holtz, Ph.D. ’17; E i ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer e dell’Istituto Leibniz per la crescita dei cristalli.

La ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation attraverso la Cornell Accelerated Perception, Analysis, and Discovery Platform for Interface Materials (PARADIM). I ricercatori hanno anche beneficiato del Cornell Materials Research Center, che è supportato dal Center for Materials, Science, and Engineering Research Program della National Science Foundation.