Cornell-Forscher bauten einen Hochleistungsdetektor, der in Kombination mit einem algorithmusgesteuerten Prozess namens Ptychographie einen Weltrekord aufstellte, indem er die Auflösung eines hochmodernen Elektronenmikroskops verdreifachte.
So erfolgreich er auch war, dieser Ansatz hatte eine Schwäche. Es funktionierte nur mit ultradünnen Proben, die nur wenige Atome dick waren. Alles, was dicker wäre, würde dazu führen, dass die Elektronen auf eine Weise gestreut würden, die nicht entwirrt werden könnte.
Jetzt hat ein Team, wiederum unter der Leitung von David Muller, Samuel B. Eckert-Professor für Ingenieurwissenschaften, seinen eigenen Rekord mit einem Elektronenmikroskop-Pixel-Array-Detektor (EMPAD), der noch ausgefeiltere 3D-Rekonstruktionsalgorithmen enthält, um den Faktor zwei übertroffen.
Die Auflösung ist so fein abgestimmt, dass die einzige Unschärfe, die bleibt, das thermische Wackeln der Atome selbst ist.
„Das ist nicht nur ein neuer Rekord“, sagte Müller. „Wir haben ein Regime erreicht, das praktisch die ultimative Grenze für eine Lösung darstellen wird. Grundsätzlich können wir jetzt auf sehr einfache Weise herausfinden, wo sich die Atome befinden. Das eröffnet ganz neue Messmöglichkeiten für Dinge, die wir schon sehr lange machen wollten. Es löst auch ein seit langem bestehendes Problem – die Beseitigung der Mehrfachstreuung des Strahls in der Probe, die Hans Bethe 1928 darlegte –, das uns in der Vergangenheit daran gehindert hat, dies zu tun.“
Bei der Ptychographie werden überlappende Streumuster einer Materialprobe gescannt und nach Veränderungen im Überlappungsbereich gesucht.
„Wir sind auf der Suche nach Fleckenmustern, die den Laserpointermustern sehr ähneln, von denen Katzen gleichermaßen fasziniert sind“, sagte Muller. „Indem wir sehen, wie sich das Muster ändert, können wir die Form des Objekts berechnen, das das Muster verursacht hat.“
Der Detektor ist leicht defokussiert, wodurch der Strahl unscharf wird, um ein möglichst breites Spektrum an Daten zu erfassen. Diese Daten werden dann über komplexe Algorithmen rekonstruiert, was zu einem ultrapräzisen Bild mit Pikometer-Präzision (ein Billionstel Meter) führt.
„Mit diesen neuen Algorithmen sind wir nun in der Lage, alle Unschärfen unseres Mikroskops so weit zu korrigieren, dass der größte verbleibende Unschärfefaktor die Tatsache ist, dass die Atome selbst wackeln, weil das bei Atomen bei endlicher Temperatur der Fall ist“, sagte Muller. „Wenn wir über Temperatur sprechen, messen wir eigentlich die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit der die Atome wackeln.“
Möglicherweise könnten die Forscher ihren Rekord noch einmal übertreffen, indem sie ein Material verwenden, das aus schwereren Atomen besteht, die weniger wackeln, oder indem sie die Probe abkühlen. Aber selbst bei der Temperatur Null weisen Atome noch Quantenfluktuationen auf, sodass die Verbesserung nicht sehr groß wäre.
Diese neueste Form der Elektronen-Ptychographie wird es Wissenschaftlern ermöglichen, einzelne Atome in allen drei Dimensionen zu lokalisieren, wenn sie mit anderen Bildgebungsmethoden sonst verborgen bleiben würden. Forscher werden auch in der Lage sein, Verunreinigungsatome in ungewöhnlichen Konfigurationen zu finden und sie und ihre Schwingungen einzeln abzubilden. Dies könnte besonders hilfreich sein bei der Abbildung von Halbleitern, Katalysatoren und Quantenmaterialien – einschließlich solcher, die im Quantencomputing verwendet werden – sowie bei der Analyse von Atomen an den Grenzen, an denen Materialien miteinander verbunden sind.
Die bildgebende Methode könnte auch auf dicke biologische Zellen oder Gewebe oder sogar auf die Synapsenverbindungen im Gehirn angewendet werden – was Muller als „Connectomics on Demand“ bezeichnet.
Obwohl die Methode zeitaufwändig und rechenintensiv ist, könnte sie mit leistungsstärkeren Computern effizienter gestaltet werden Maschinelles Lernen und schnellere Detektoren.
„Wir wollen dies auf alles anwenden, was wir tun“, sagte Muller, Co-Leiter des Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science und Co-Vorsitzender der Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, Teil der Radical Collaboration-Initiative von Cornell. „Bis jetzt haben wir alle wirklich schlechte Brillen getragen. Und jetzt haben wir tatsächlich ein wirklich gutes Paar. Warum willst du nicht die alte Brille abnehmen, die neue aufsetzen und sie ständig benutzen?“