Les chercheurs de Cornell ont construit un détecteur de haute puissance qui, combiné à un processus basé sur un algorithme appelé ptychographie, a établi un record du monde en triplant la résolution d'un microscope électronique de pointe.
Aussi réussie qu'elle ait été, cette approche avait une faiblesse. Cela ne fonctionnait qu'avec des échantillons ultra-minces de quelques atomes d'épaisseur. Tout ce qui est plus épais entraînerait la dispersion des électrons d'une manière qui ne pourrait pas être démêlée.
Maintenant, une équipe, à nouveau dirigée par David Muller, professeur d'ingénierie Samuel B.Eckert, a battu son propre record par un facteur de deux avec un détecteur à matrice de pixels au microscope électronique (EMPAD) qui intègre des algorithmes de reconstruction 3D encore plus sophistiqués.
La résolution est si fine que le seul flou qui reste est le tremblement thermique des atomes eux-mêmes.
"Ce n'est pas seulement un nouveau record", a déclaré Muller. «Il a atteint un régime qui va effectivement être une limite ultime pour la résolution. Nous pouvons maintenant déterminer où se trouvent les atomes d'une manière très simple. Cela ouvre un tas de nouvelles possibilités de mesure des choses que nous voulions faire depuis très longtemps. Cela résout également un problème de longue date - annuler la diffusion multiple du faisceau dans l'échantillon, que Hans Bethe a présenté en 1928 - qui nous a empêchés de le faire dans le passé.
La ptychographie fonctionne en scannant des motifs de diffusion qui se chevauchent à partir d'un échantillon de matériau et en recherchant les changements dans la région de chevauchement.
«Nous recherchons des motifs de mouchetures qui ressemblent beaucoup à ces motifs de pointeur laser qui fascinent également les chats», a déclaré Muller. "En voyant comment le motif change, nous sommes en mesure de calculer la forme de l'objet qui a causé le motif."
Le détecteur est légèrement défocalisé, brouillant le faisceau, afin de capturer la plus large gamme de données possible. Ces données sont ensuite reconstruites via des algorithmes complexes, ce qui donne une image ultraprécise avec une précision au picomètre (un billionième de mètre).
«Avec ces nouveaux algorithmes, nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de notre microscope au point que le plus grand facteur de flou qui nous reste est le fait que les atomes eux-mêmes vacillent parce que c'est ce qui arrive aux atomes à température finie, ”A déclaré Muller. «Lorsque nous parlons de température, ce que nous mesurons en fait, c'est la vitesse moyenne à laquelle les atomes tremblent.»
Les chercheurs pourraient peut-être à nouveau surpasser leur record en utilisant un matériau composé d'atomes plus lourds, qui oscillent moins, ou en refroidissant l'échantillon. Mais même à température nulle, les atomes ont encore des fluctuations quantiques, donc l'amélioration ne serait pas très grande.
Cette dernière forme de ptychographie électronique permettra aux scientifiques de localiser des atomes individuels dans les trois dimensions alors qu'ils pourraient être autrement cachés à l'aide d'autres méthodes d'imagerie. Les chercheurs pourront également trouver des atomes d'impuretés dans des configurations inhabituelles et les imager avec leurs vibrations, un à la fois. Cela pourrait être particulièrement utile pour l'imagerie des semi-conducteurs, des catalyseurs et des matériaux quantiques - y compris ceux utilisés dans l'informatique quantique - ainsi que pour l'analyse des atomes aux frontières où les matériaux sont réunis.
La méthode d'imagerie pourrait également être appliquée à des cellules ou tissus biologiques épais, ou même aux connexions synapse dans le cerveau - ce que Muller appelle la «connectomique à la demande».
Bien que la méthode soit longue et exigeante en termes de calcul, elle pourrait être rendue plus efficace avec des ordinateurs plus puissants en conjonction avec machine learning et des détecteurs plus rapides.
«Nous voulons appliquer cela à tout ce que nous faisons», a déclaré Muller, qui codirige l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique et copréside le groupe de travail sur la science et l'ingénierie des microsystèmes à l'échelle nanométrique (NEXT Nano), qui fait partie de l'initiative de collaboration radicale de Cornell. . «Jusqu'à présent, nous portions tous de très mauvaises lunettes. Et maintenant, nous avons en fait une très bonne paire. Pourquoi ne voudriez-vous pas enlever les vieilles lunettes, mettre les nouvelles et les utiliser tout le temps? »