İnanılmaz bir mikroskop, atomları standart doğrulukla görür

Cornell araştırmacıları 2018’de, algoritma tabanlı bir süreç olan ptychography ile birlikte yüksek güçlü bir dedektör geliştirdi. Dünya rekoru Gelişmiş bir elektron mikroskobunun çözünürlüğünü üç katına çıkararak.

Her ne kadar başarılı olsa da, bu yaklaşımın bir zayıflığı vardı. Sadece birkaç atom kalınlığındaki ultra ince örneklerle çalıştım. Daha kalın herhangi bir şey, elektronların ayrılmaz şekillerde dağılmasına neden olur.

Şimdi, Samuel B.Eckert’te mühendislik profesörü olan David Mueller liderliğindeki bir ekip, daha gelişmiş 3D yeniden yapılandırma algoritmalarını içeren Elektron Mikroskobu Piksel Matris Dedektörü (EMPAD) ile çarpan faktör kaydını geride bıraktı.

Hassasiyet ince bir şekilde ayarlanmıştır ve geriye kalan tek bozulma atomların kendilerinin termal titreşimleridir.

Grubun “Electron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits by Retinal Vibrations” adlı araştırma makalesi 20 Mayıs’ta Science dergisinde yayınlandı. Makalenin baş yazarı, doktora sonrası araştırmacı Zhen Chen’dir.

Mueller, “Sadece yeni bir rekor kırmakla kalmıyor,” dedi. Çözümün nihai sonu olacak bir sisteme ulaştı. Temelde atomların nerede olduğunu artık çok kolay bir şekilde görebiliriz. Bu, çok uzun zamandır yapmak istediğimiz şeyler için birçok yeni ölçeklendirme olanağı sunuyor. Aynı zamanda, Hans House’un 1928’de uygulamaya koyduğu örnekteki kirişin çoklu dağılımını geri alarak geçmişte bunu yapmamızı engelleyen uzun süredir devam eden bir sorunu da çözüyor. “

Ptychography, bir malzeme örneğinden üst üste binen dağılım desenlerini tarayarak ve örtüşen bölgedeki değişiklikleri arayarak çalışır.

Mueller, “Kedilerin aynı ölçüde hayran kaldığı lazer işaretçi modellerine çok benzeyen nokta desenlerini araştırıyoruz” dedi. “Desenin nasıl değiştiğini görerek, desene neden olan nesnenin şeklini hesaplayabiliriz.”

Detektör biraz odaklanmamış, Işını bulanıklaştır, Mümkün olan en geniş veri aralığını elde etmek için. Bu veriler daha sonra karmaşık algoritmalar aracılığıyla yeniden oluşturulur ve bir mikrometre (bir metrenin trilyonda biri) çözünürlüğe sahip süper çözünürlüklü bir görüntü ile sonuçlanır.

Mueller, “Bu yeni algoritmaları kullanarak, artık tüm mikroskop bulanıklığımızı, sahip olduğumuz en büyük kamuflaj faktörünün atomların kendilerinin salındığı gerçeği olduğu noktaya kadar düzeltebiliriz, çünkü bu, sonlu bir sıcaklıkta atomlara olan şey” dedi. atomların ne kadar titreştiğinin ortalama hızı. “

Araştırmacılar, daha az dalgalanma ile daha ağır atomlardan oluşan bir madde kullanarak veya numuneyi soğutarak rekorlarını tekrar kırabilirler. Ancak sıfır sıcaklıkta bile atomlar hala kuantum dalgalanmaları yaşıyor, bu nedenle gelişme çok büyük olmayacak.

Bu yeni elektron modüler görüntüleme biçimi, bilim adamlarının, diğer görüntüleme yöntemleri kullanılarak başka türlü gizlenebilecekleri üç boyuttaki tek tek atomları bulmalarını sağlayacak. Araştırmacılar ayrıca saf olmayan atomları alışılmadık konfigürasyonlarda bulabilecek ve onları tek tek titreşimleriyle fotoğraflayabilecekler. Bu, özellikle yarı iletkenlerin, katalizörlerin ve kuantum malzemelerinin görüntülenmesi için yararlı olabilir – Nicel İstatistikler Ve ayrıca maddelerin birbirine bağlandığı sınırlardaki atomların analizi için.

Görüntüleme yöntemi aynı zamanda hücrelere, kalın biyolojik dokulara ve hatta beyindeki sinaptik bağlantılara da uygulanabilir – Mueller’in buna “talep üzerine bağlantılar” dediği.

Bu yöntem zaman alıcı ve hesaplama açısından zorlu olsa da, makine öğrenimi ve daha hızlı algılama cihazları ile birlikte daha güçlü bilgisayarlar kullanılarak daha verimli hale getirilebilir.

Cornell’deki Nanoscale Science için Kavli Enstitüsü’nü yöneten ve Cornell’in Radical’in bir parçası olan Mikro Sistem Bilimi ve Mühendislik Görev Gücü’nün (NEXT Nano) eşbaşkanlığını yapan Mueller, “Bunu yaptığımız her şeye uygulamak istiyoruz” dedi. İşbirliği girişimi. . “Şimdiye kadar hepimiz gerçekten kötü gözlükler takıyorduk. Ve şimdi zaten gerçekten iyi bir çiftimiz var. Neden eski gözlükleri çıkarıp yenilerini takıp her zaman kullanmak istemiyorsunuz?”

Referans: Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen tarafından “Elektronun elektronik yazımı ağ titreşimleri tarafından belirlenen atomik hassasiyet sınırlarına ulaşır” Ganshu, Darryl J. Shalom ve David A. Mall, 21 Mayıs 2021, Bilim.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Ortak yazarlar arasında Herbert Fisk Johnson’da Endüstriyel Kimya Profesörü olan Daryl Shlom; Yi Jiang, Doktora. 18 ‘O şu anda Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda ışın hattı veri bilimcisi; Doktora sonrası araştırmacılar Yu-Tsun Shao ve Megan Holtz, Ph.D. ’17; Ve Paul Scherrer Enstitüsü ve Leibniz Kristal Büyüme Enstitüsü’nden araştırmacılar.

Araştırma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından Cornell Hızlandırılmış Algılama, Analiz ve Arayüz Materyalleri için Keşif Platformu (PARADIM) aracılığıyla desteklenmiştir. Araştırmacılar ayrıca Ulusal Bilim Vakfı’nın Malzeme, Bilim ve Mühendislik Araştırma Programı Merkezi tarafından desteklenen Cornell Malzeme Araştırma Merkezi’nden de faydalandı.