Các nhà nghiên cứu của Cornell đã chế tạo một máy dò công suất cao, kết hợp với quy trình dựa trên thuật toán gọi là ptychography, đã lập kỷ lục thế giới bằng cách tăng gấp ba lần độ phân giải của kính hiển vi điện tử hiện đại.
Như đã thành công, cách tiếp cận đó có một điểm yếu. Nó chỉ hoạt động với các mẫu siêu mỏng có độ dày vài nguyên tử. Bất cứ thứ gì dày hơn sẽ khiến các electron phân tán theo những cách không thể tách rời.
Giờ đây, một nhóm, do David Muller, Giáo sư Kỹ thuật Samuel B. Eckert dẫn đầu, đã lập kỷ lục của chính mình bằng hệ số hai với máy dò mảng pixel trên kính hiển vi điện tử (EMPAD) kết hợp các thuật toán tái tạo 3D thậm chí còn phức tạp hơn.
Độ phân giải được tinh chỉnh rất tốt, điểm mờ duy nhất còn lại là sự dao động nhiệt của chính các nguyên tử.
“Điều này không chỉ thiết lập một kỷ lục mới,” Muller nói. “Nó đã đạt được một chế độ mà hiệu quả sẽ là giới hạn cuối cùng để giải quyết. Về cơ bản, bây giờ chúng ta có thể tìm ra vị trí của các nguyên tử một cách rất dễ dàng. Điều này mở ra rất nhiều khả năng đo lường hoàn toàn mới về những thứ mà chúng tôi đã muốn làm từ rất lâu. Nó cũng giải quyết một vấn đề lâu dài — hoàn tác nhiều chùm tia tán xạ trong mẫu, mà Hans Bethe đã đặt ra vào năm 1928 — đã cản trở chúng tôi làm điều này trong quá khứ. ”
Ptychography hoạt động bằng cách quét các mẫu tán xạ chồng lên nhau từ một mẫu vật liệu và tìm kiếm những thay đổi trong vùng chồng lấn.
Muller cho biết: “Chúng tôi đang theo đuổi các mẫu đốm trông rất giống với các mẫu con trỏ laser mà loài mèo cũng bị mê hoặc. “Bằng cách xem mẫu thay đổi như thế nào, chúng tôi có thể tính toán hình dạng của đối tượng tạo ra mẫu”.
Máy dò hơi bị mất nét, làm mờ chùm tia, để thu được phạm vi dữ liệu rộng nhất có thể. Dữ liệu này sau đó được tái tạo lại thông qua các thuật toán phức tạp, dẫn đến hình ảnh siêu chính xác với độ chính xác picometer (một phần nghìn tỷ mét).
“Với những thuật toán mới này, giờ đây chúng tôi có thể sửa chữa tất cả các vết mờ trên kính hiển vi của chúng tôi đến mức yếu tố làm mờ lớn nhất mà chúng tôi còn sót lại là thực tế là bản thân các nguyên tử đang dao động bởi vì đó là điều xảy ra với các nguyên tử ở nhiệt độ hữu hạn, ”Muller nói. "Khi chúng ta nói về nhiệt độ, những gì chúng ta thực sự đo được là tốc độ trung bình của mức độ chuyển động của các nguyên tử."
Các nhà nghiên cứu có thể đạt kỷ lục một lần nữa bằng cách sử dụng một vật liệu bao gồm các nguyên tử nặng hơn, ít dao động hơn hoặc bằng cách làm nguội mẫu. Nhưng ngay cả ở nhiệt độ XNUMX, các nguyên tử vẫn có những dao động lượng tử, vì vậy sự cải thiện sẽ không lớn lắm.
Hình thức ptychography mới nhất của điện tử này sẽ cho phép các nhà khoa học xác định vị trí các nguyên tử riêng lẻ trong cả ba chiều khi chúng có thể bị ẩn bằng các phương pháp chụp ảnh khác. Các nhà nghiên cứu cũng sẽ có thể tìm thấy các nguyên tử tạp chất có cấu hình bất thường và hình ảnh chúng cũng như dao động của chúng, từng nguyên tử một. Điều này có thể đặc biệt hữu ích trong hình ảnh chất bán dẫn, chất xúc tác và vật liệu lượng tử — bao gồm cả những thứ được sử dụng trong tính toán lượng tử — cũng như để phân tích các nguyên tử ở các ranh giới nơi các vật liệu liên kết với nhau.
Phương pháp hình ảnh cũng có thể được áp dụng cho các tế bào hoặc mô sinh học dày, hoặc thậm chí là các kết nối khớp thần kinh trong não - cái mà Muller gọi là “kết nối theo yêu cầu”.
Mặc dù phương pháp này tốn nhiều thời gian và đòi hỏi tính toán, nhưng nó có thể được thực hiện hiệu quả hơn với các máy tính mạnh hơn kết hợp với học máy và máy dò nhanh hơn.
“Chúng tôi muốn áp dụng điều này cho mọi việc chúng tôi làm”, Muller, người đồng chỉ đạo Viện Kavli tại Cornell về Khoa học cấp độ nano và đồng chủ trì Lực lượng đặc nhiệm Khoa học cấp độ nano và Kỹ thuật hệ thống vi mô (NEXT Nano), một phần của sáng kiến Hợp tác cấp tiến của Cornell . “Cho đến giờ, tất cả chúng tôi đều đeo kính rất tệ. Và bây giờ chúng tôi thực sự có một cặp thực sự tốt. Tại sao bạn không muốn tháo kính cũ, đeo kính mới và sử dụng chúng hoài? ”