Zdjęcie atomów uzyskano za pomocą ptychografii elektronowej - powiększenie 100 mln razy /Fot. Cornell University

Atomy oglądane w rekordowej rozdzielczości

Atomy to obiekty wyjątkowo niewdzięczne do oglądania, nawet przy użyciu najnowocześniejszych mikroskopów. Wkrótce może się to zmienić.

W 2018 roku naukowcy z Cornell University zbudowali detektor o dużej mocy, który w połączeniu z napędzanym przez algorytm procesem zwanym ptychografią ustanowił rekord świata i potroił rozdzielczość najnowocześniejszego mikroskopu elektronowego.

Rekordowa rozdzielczość

Osiągnięcie naukowców z Cornell University jest trudne do przecenienia, ale potrojenie rozdzielczości było możliwe tylko w przypadku ultracienkich próbek o grubości kilku atomów. Każda grubsza struktura powodowała rozproszenie elektronów i uniemożliwiała obserwacje.

Zespół kierowany przez Davida Mullera pobił swój własny rekord dwukrotnie, stosując detektor matrycowy pikseli mikroskopu elektronowego (EMPAD), który zawiera jeszcze bardziej zaawansowane algorytmy rekonstrukcji 3D. Rozdzielczość jest tak precyzyjnie dostrojona, że jedynym pozostałym rozmyciem są drgania termiczne samych atomów.

To nie jest tylko nowy rekord. Osiągnęliśmy poziom, który w rzeczywistości będzie ostateczną granicą dla rozdzielczości. W zasadzie możemy teraz w bardzo prosty sposób dowiedzieć się, gdzie znajdują się atomy. Otwiera to wiele nowych możliwości pomiarowych dla rzeczy, które chcieliśmy zrobić od bardzo dawna. Rozwiązuje to również odwieczny problem – eliminację wielokrotnego rozpraszania wiązki w próbce, co Hans Bethe opisał w 1928 roku.

David Muller

Stosując ptychografię, detektor skanuje nakładające się wzory rozpraszania z próbki materiału i namierza zmiany w nakładających się regionach.

Obserwujemy wzory plamek, które wyglądają bardzo podobnie jak te punkty laserowych wskaźników, za którymi tak bardzo szaleją wszystkie koty. Obserwując, jak zmienia się wzór, jesteśmy w stanie obliczyć kształt obiektu, który spowodował powstanie jego powstanie.

David Muller

Detektor nie jest skupiony i subtelnie rozmywa wiązkę, aby uchwycić jak najszerszy zakres danych. Są one następnie rekonstruowane za pomocą złożonych algorytmów, w wyniku czego powstaje ultraprecyzyjny obraz o pikometrowej (jedna bilionowa część metra) dokładności.

Dzięki nowym algorytmom jesteśmy w stanie skorygować wszystkie rozmycia naszego mikroskopu do tego stopnia, że największym czynnikiem rozmycia, jaki pozostaje jest ten wynikający z drgań samych atomów. To właśnie dzieje się z atomami w skończonej temperaturze. Kiedy mówimy o temperaturze, to co tak naprawdę mierzymy, to średnia prędkość, z jaką atomy się poruszają.

David Muller

Badacze mogliby ewentualnie ponownie pobić swój rekord, używając materiału składającego się z cięższych atomów, które drgają z mniejszą częstotliwością. Możliwe jest też schłodzenie próbki, ale nawet w temperaturze zera bezwzględnego, atomy nadal wykazują fluktuacje kwantowe, więc poprawa rozdzielczości nie byłaby znacząca.

Najnowsza forma ptychografii elektronowej umożliwi naukowcom zlokalizowanie pojedynczych atomów we wszystkich trzech wymiarach, nawet gdy nie są one wykrywane przez inne metody obrazowana. Uczeni będą również w stanie znaleźć atomy zanieczyszczeń w nietypowych konfiguracjach i zobrazować je oraz ich wibracje, jeden po drugim. Może to być szczególnie pomocne w obrazowaniu półprzewodników, katalizatorów i materiałów kwantowych – w tym tych używanych w obliczeniach kwantowych.