Физики из Корнельского университета расширили границы атомной визуализации, увеличив разрешение электронного микроскопа в два раза. Хотя многие современные смартфоны оснащены камерами высокого разрешения, позволяющими значительно увеличить изображение, они не идут ни в какое сравнение с этой установкой, способной воссоздавать сверхточные изображения с точностью до одной триллионной метра. В результате можно увидеть отдельные атомы и химические связи в молекулах.
Исследователи под руководством профессора Дэвида Мюллера разработали пиксельный детектор электронного микроскопа и самые современные алгоритмы трехмерной реконструкции для получения лазерных точных изображений атомов. Разрешение настолько четкое, что единственным размытым элементом является тепловое покачивание самих атомов.
"Это не просто новый рекорд", — сказал Мюллер. "Он достиг режима, который фактически станет пределом разрешения. Теперь мы можем очень просто определить, где находятся атомы. Это открывает целый ряд новых возможностей для измерения вещей, которые мы давно хотели сделать", — сказал Мюллер. Прорыв основывается на технике, основанной на компьютерном алгоритме, известной как птихография, которая работает путем сканирования перекрывающихся картин рассеяния образца и последующего поиска изменений в области перекрытия. "Мы гоняемся за узорами спекл, которые очень похожи на узоры лазерной указки, которые так же восхищают кошек", — сказал Мюллер. "Наблюдая за тем, как меняется рисунок, мы можем вычислить форму объекта, вызвавшего этот рисунок".
Детектор, используемый в электронном микроскопе, специально слегка расфокусирован. Таким образом, размытый луч может захватить максимально широкий спектр данных. Эти данные затем используются для восстановления четкого изображения образца с помощью сложных алгоритмов.
"С помощью этих новых алгоритмов мы теперь можем исправить все размытия нашего микроскопа до такой степени, что самый большой фактор размытия, который у нас остался, это то, что сами атомы колеблются, потому что именно это происходит с атомами при конечной температуре", — сказал Мюллер. "Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы измеряем среднюю скорость колебания атомов".
Исследователи утверждают, что из-за покачивания атомов их достижение находится почти на нижней физической границе атомной визуализации. Теоретически, они могли бы побить свой собственный рекорд и добиться еще более высокого разрешения, заморозив образец при температуре, близкой к абсолютному нулю. Однако даже при температуре, близкой к нулю, все еще существуют квантовые флуктуации, и в любом случае улучшение будет в лучшем случае незначительным.
Электронная птихография позволит ученым идентифицировать отдельные атомы в трехмерном пространстве, которые могут быть не видны при других методах визуализации. Ближайшие области применения включают обнаружение примесей в образцах, а также визуализацию атомов и их колебаний. Для промышленности это особенно полезно при оценке качества полупроводников, катализаторов и чувствительных квантовых материалов, предназначенных для квантовых компьютеров.