Hình ảnh này cho thấy sự tái tạo điện tử của một tinh thể praseodymium chỉnh nha (PrScO3), được phóng đại 100 triệu lần. Tín dụng: Đại học Cornell
Vào năm 2018, các nhà nghiên cứu của Cornell đã chế tạo một máy dò công suất cao, kết hợp với một quy trình dựa trên thuật toán được gọi là ptychography. Kỉ lục thế giới Bằng cách tăng gấp ba lần độ phân giải của kính hiển vi điện tử tiên tiến.
Như đã thành công, cách tiếp cận này có một điểm yếu. Tôi chỉ làm việc với các mẫu siêu mỏng 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 Mueller, giáo sư kỹ thuật tại Samuel B. Eckert dẫn đầu, đã vượt qua kỷ lục hệ số nhân của mình với Máy dò ma trận điểm ảnh hiển vi điện tử (EMPAD) kết hợp các thuật toán tái tạo 3D tiên tiến hơn.
Độ chính xác được tinh chỉnh, và biến dạng duy nhất còn lại là dao động nhiệt của chính các nguyên tử.
Bài báo nghiên cứu của nhóm, “Độ phân giải điện tử đạt được giới hạn phân giải nguyên tử được xác định bằng rung võng mạc”, được xuất bản ngày 20 tháng 5 trên tạp chí Science. Tác giả chính của bài báo là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Zhen Chen.
“Nó không chỉ thiết lập một kỷ lục mới,” Mueller nói. Anh ấy đã đến một hệ thống thực sự sẽ là cứu cánh cuối cùng của giải pháp. Về cơ bản, bây giờ chúng ta có thể thấy vị trí của các nguyên tử một cách rất dễ dàng. Điều này mở ra rất nhiều khả năng mở rộng quy mô mới cho những thứ mà chúng tôi đã mong muốn thực hiện trong một thời gian dài. Nó cũng giải quyết một vấn đề lâu dài – hoàn tác sự phân tán nhiều chùm tia trong mẫu, mà Hans House đã đưa ra vào năm 1928 – đã ngăn cản chúng tôi làm điều này trong quá khứ. “
Ptychography hoạt động bằng cách quét các mẫu phân tán chồng lên nhau từ một mẫu vật liệu và tìm kiếm những thay đổi trong vùng chồng chéo.
“Chúng tôi đang săn lùng các mẫu đốm rất giống với các mẫu con trỏ laser mà mèo cũng mê mẩn”, Mueller nói. “Bằng cách xem mô hình thay đổi như thế nào, chúng tôi có thể tính toán hình dạng của đối tượng gây ra mô hình.”
Máy dò hơi không tập trung, Làm mờ tia sáng, Để có 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, tạo ra một hình ảnh siêu phân giải với độ phân giải của một micromet (một phần nghìn tỷ mét).
“Sử dụng các thuật toán mới này, giờ đây chúng tôi có thể sửa chữa tất cả các vết mờ kính hiển vi của chúng tôi đến mức mà yếu tố ngụy trang lớn nhất mà chúng tôi có là thực tế là bản thân các nguyên tử dao động, bởi vì đó là những gì xảy ra với các nguyên tử ở một nhiệt độ hữu hạn” vận tốc trung bình của các nguyên tử dao động là bao nhiêu. “
Các nhà nghiên cứu có thể đánh bại kỷ lục của họ một lần nữa bằng cách sử dụng một chất được tạo thành từ các nguyên tử nặng hơn với ít dao động hơn hoặc bằng cách làm lạnh mẫu. Nhưng ngay cả ở nhiệt độ 0, các nguyên tử vẫn trải qua các dao động lượng tử, vì vậy sự cải thiện sẽ không lớn lắm.
Hình thức chụp ảnh mô-đun điện tử mới hơn 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 được che giấu bằng cách sử dụng 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 chụp ảnh chúng bằng rung động của chúng, từng nguyên tử một. Điều này có thể đặc biệt hữu ích cho chất bán dẫn hình ảnh, chất xúc tác và vật liệu lượng tử – bao gồm cả những chất được sử dụng trong Thống kê định lượng Và cũng để phân tích các nguyên tử tại các ranh giới nơi các chất liên kết với nhau.
Phương pháp hình ảnh cũng có thể được áp dụng cho các tế bào, mô sinh học dày, hoặc thậm chí các kết nối synap trong não – mà Mueller gọi là “kết nối theo yêu cầu.”
Mặc dù phương pháp này tốn thời gian và đòi hỏi tính toán cao, nhưng nó có thể được thực hiện hiệu quả hơn bằng cách sử dụng các máy tính mạnh hơn kết hợp với máy học và các thiết bị phát hiện nhanh hơn.
“Chúng tôi muốn áp dụng điều này cho mọi thứ chúng tôi làm”, Mueller, người đồng chỉ đạo Viện Kavli tại Cornell về Khoa học cấp độ nano và đồng chủ trì Lực lượng Đặc nhiệm Khoa học và Kỹ thuật Hệ thống Vi mô (NEXT Nano), một phần của Cornell’s Radical Sáng kiến hợp tác. . “Từ trước đến nay, tất cả chúng ta đều đeo kính rất tệ. Và giờ chúng ta đã có một cặp thật ưng ý. Tại sao bạn không muốn bỏ kính cũ, đeo kính mới và sử dụng chúng mọi lúc?”
Tài liệu tham khảo: “Chữ viết điện tử của electron đạt được giới hạn của độ chính xác nguyên tử do dao động mạng đặt ra” của Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom và David A. Mall, ngày 21 tháng 5 năm 2021, Khoa học.
DOI: 10.1126 / science.abg2533
Trong số các đồng tác giả có Daryl Shlom, Giáo sư Hóa học Công nghiệp tại Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, Tiến sĩ. 18 ‘Anh ấy hiện là nhà khoa học dữ liệu đường tia tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne; Các nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Yu-Tsun Shao và Megan Holtz, Ph.D. ’17; Và các nhà nghiên cứu từ Viện Paul Scherrer và Viện Leibniz về Tăng trưởng Tinh thể.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia thông qua Nền tảng Nhận thức, Phân tích và Khám phá Tăng tốc Cornell cho Vật liệu Giao diện (PARADIM). Các nhà nghiên cứu cũng được hưởng lợi từ Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cornell, được hỗ trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Vật liệu, Khoa học và Kỹ thuật của Quỹ Khoa học Quốc gia.