Cornell-onderzoekers bouwden een krachtige detector die, in combinatie met een algoritme-gestuurd proces genaamd ptychography, een wereldrecord vestigde door de resolutie van een ultramoderne elektronenmicroscoop te verdrievoudigen.
Hoe succesvol het ook was, die aanpak had een zwak punt. Het werkte alleen met ultradunne monsters die een paar atomen dik waren. Alles wat dikker is, zou ervoor zorgen dat de elektronen zich verspreiden op een manier die niet kan worden ontward.
Nu heeft een team, opnieuw geleid door David Muller, de Samuel B. Eckert Professor of Engineering, zijn eigen record met een factor twee verbeterd met een elektronenmicroscoop pixelarray-detector (EMPAD) die nog geavanceerdere 3D-reconstructie-algoritmen bevat.
De resolutie is zo nauwkeurig afgesteld dat de enige vervaging die overblijft het thermische schudden van de atomen zelf is.
"Dit is niet alleen een nieuw record," zei Muller. “Het heeft een regime bereikt dat in feite de ultieme limiet voor een oplossing zal zijn. We kunnen nu op een heel gemakkelijke manier achterhalen waar de atomen zijn. Dit opent een heleboel nieuwe meetmogelijkheden van dingen die we al heel lang wilden doen. Het lost ook een al lang bestaand probleem op - het ongedaan maken van de meervoudige verstrooiing van de bundel in het monster, die Hans Bethe in 1928 uiteenzette - dat ons in het verleden heeft geblokkeerd om dit te doen. "
Ptychography werkt door overlappende verstrooiingspatronen van een materiaalmonster te scannen en te zoeken naar veranderingen in het overlappende gebied.
"We jagen op spikkelpatronen die veel lijken op die laserpointerpatronen waar katten even gefascineerd door zijn," zei Muller. "Door te zien hoe het patroon verandert, kunnen we de vorm berekenen van het object dat het patroon heeft veroorzaakt."
De detector is enigszins onscherp, waardoor de straal vervaagt, om een zo breed mogelijk bereik aan gegevens vast te leggen. Deze gegevens worden vervolgens gereconstrueerd via complexe algoritmen, wat resulteert in een ultraprecieze afbeelding met een precisie van een picometer (een biljoenste meter).
"Met deze nieuwe algoritmen kunnen we nu alle vervaging van onze microscoop corrigeren tot het punt dat de grootste vervagingsfactor die we nog hebben het feit is dat de atomen zelf wiebelen, want dat is wat er gebeurt met atomen bij eindige temperatuur, 'Zei Muller. "Als we het over temperatuur hebben, meten we eigenlijk de gemiddelde snelheid waarmee de atomen schudden."
De onderzoekers zouden hun record mogelijk nog eens kunnen overtreffen door een materiaal te gebruiken dat uit zwaardere atomen bestaat, die minder wiebelen, of door het monster af te koelen. Maar zelfs bij nul temperatuur hebben atomen nog steeds kwantumfluctuaties, dus de verbetering zou niet erg groot zijn.
Deze nieuwste vorm van elektronenptychografie stelt wetenschappers in staat individuele atomen in alle drie de dimensies te lokaliseren, terwijl ze anders misschien verborgen zouden zijn met andere beeldvormingsmethoden. Onderzoekers zullen ook in staat zijn om onzuiverheidsatomen in ongebruikelijke configuraties te vinden en ze en hun trillingen een voor een in beeld te brengen. Dit zou met name nuttig kunnen zijn bij het afbeelden van halfgeleiders, katalysatoren en kwantummaterialen - inclusief die welke worden gebruikt in kwantumcomputers - en voor het analyseren van atomen op de grenzen waar materialen met elkaar zijn verbonden.
De beeldvormingsmethode kan ook worden toegepast op dikke biologische cellen of weefsels, of zelfs op de synapsverbindingen in de hersenen - wat Muller 'connectomics on demand' noemt.
Hoewel de methode tijdrovend en rekenkundig veeleisend is, zou deze efficiënter kunnen worden gemaakt met krachtigere computers in combinatie met machine learning en snellere detectoren.
"We willen dit toepassen op alles wat we doen", zegt Muller, die het Kavli Institute van Cornell co-regisseert voor Nanoscale Science en medevoorzitter is van de Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, onderdeel van het Radical Collaboration-initiatief van Cornell. . “Tot nu toe droegen we allemaal een heel slechte bril. En nu hebben we echt een heel goed paar. Waarom zou je de oude bril niet af willen zetten, de nieuwe willen opzetten en ze de hele tijd willen gebruiken? "