コーネル大学の研究者は、プチコグラフィーと呼ばれるアルゴリズム駆動型プロセスと組み合わせて、最先端の電子顕微鏡の解像度をXNUMX倍にすることで世界記録を樹立する、強力な検出器を構築しました。
成功したとしても、そのアプローチには弱点がありました。 これは、数原子の厚さの極薄サンプルでのみ機能しました。 これより厚いと、電子がもつれを解くことができない方法で散乱します。
現在、Samuel B. Eckert 工学教授である David Muller が再び率いるチームは、さらに洗練された 3D 再構成アルゴリズムを組み込んだ電子顕微鏡ピクセル アレイ検出器 (EMPAD) で、自身の記録を XNUMX 倍に上回っています。
解像度は非常に細かく調整されており、残っているのは原子自体の熱による揺れだけです。
「これは単に新記録を樹立するだけではありません」とミュラーは言いました。 「それは事実上解決の究極の限界となる体制に達しています。 基本的に、原子がどこにあるかを非常に簡単な方法で把握できるようになりました。 これにより、私たちが非常に長い間やりたかったことの多くの新しい測定の可能性が開かれます。 また、これは、ハンス・ベーテが 1928 年に計画した、サンプル内のビームの多重散乱を元に戻すという長年の問題も解決します。
ピコグラフィーは、材料サンプルから重なり合う散乱パターンをスキャンし、重なり合う領域の変化を探すことによって機能します。
「私たちは、猫が同じように魅了されているレーザーポインターパターンによく似たスペックルパターンを追いかけています」とミュラー氏は述べています。 「パターンがどのように変化するかを見ることで、パターンの原因となったオブジェクトの形状を計算することができます。」
可能な限り広い範囲のデータをキャプチャするために、検出器はわずかに焦点がぼけており、ビームがぼやけています。 次に、このデータは複雑なアルゴリズムを介して再構築され、ピコメートル（XNUMX兆分のXNUMXメートル）の精度の超高精度画像が得られます。
「これらの新しいアルゴリズムを使用すると、顕微鏡のすべてのぼけを補正して、残っている最大のぼけ要因は、有限温度の原子に起こることであるため、原子自体がぐらついているという事実になります。ミュラーは言った。 「私たちが温度について話すとき、私たちが実際に測定しているのは、原子が揺れている量の平均速度です。」
研究者たちは、より重い原子で構成された材料を使用するか、サンプルを冷却することで、再び記録を上回る可能性があります。 しかし、温度がゼロであっても、原子にはまだ量子揺らぎがあるため、改善はそれほど大きくはありません。
この最新の電子タイコグラフィーにより、科学者は、他のイメージング方法を使用して隠されている可能性がある場合に、XNUMX次元すべてで個々の原子を特定できます。 研究者は、異常な構成の不純物原子を見つけて、それらとその振動を一度に XNUMX つずつ画像化することもできます。 これは、半導体、触媒、量子材料（量子コンピューティングで使用されるものを含む）のイメージングや、材料が結合している境界の原子の分析に特に役立ちます。
イメージング法は、厚い生体細胞や組織、さらには脳内のシナプス接続にも適用できます。これは、ミュラーが「オンデマンドのコネクトミクス」と呼んでいます。
この方法は時間がかかり、計算量が多くなりますが、より強力なコンピューターと組み合わせることで、より効率的にすることができます。 機械学習 より高速な検出器。
コーネル大学ナノスケール科学研究所の共同ディレクターであり、コーネル大学のラジカルコラボレーションイニシアチブの一部であるナノスケール科学およびマイクロシステムエンジニアリング（NEXT Nano）タスクフォースの共同議長を務めるミューラーは、次のように述べています。 。 「今まで、私たちは皆本当に悪い眼鏡をかけていました。 そして今、私たちは実際に本当に良いペアを持っています。 古いメガネを外して、新しいメガネをかけて、ずっと使ってみませんか？」