Mikroskop yang luar biasa melihat atom dengan akurasi standar

Gambar ini menunjukkan rekonstruksi telegraf elektron dari kristal praseodymium ortodontik (PrScO3), diperbesar 100 juta kali. Kredit: Universitas Cornell

Pada tahun 2018, para peneliti Cornell membangun detektor berdaya tinggi, dikombinasikan dengan proses berbasis algoritme yang disebut ptychography. Rekor dunia Dengan tiga kali lipat resolusi mikroskop elektron canggih.

Meski berhasil, pendekatan ini memiliki kelemahan. Saya hanya bekerja dengan sampel sangat tipis dengan ketebalan beberapa atom. Apa pun yang lebih tebal akan menyebabkan elektron menyebar dengan cara yang tidak terpisahkan.

Sekarang sebuah tim, yang dipimpin oleh David Mueller, profesor teknik di Samuel B. Eckert, telah mengungguli rekor faktor pengali dengan Electron Microscopy Pixel Matrix Detector (EMPAD) yang menggabungkan algoritme rekonstruksi 3D yang lebih canggih.

Presisi disetel dengan cermat, dan satu-satunya distorsi yang tersisa adalah getaran termal atom itu sendiri.

Makalah penelitian kelompok, “Elektron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits Identified by Retinal Vibrations”, diterbitkan 20 Mei di Science. Penulis utama makalah ini adalah peneliti postdoctoral Zhen Chen.

“Itu tidak hanya mencetak rekor baru,” kata Mueller. Dia sampai pada sistem yang sebenarnya akan menjadi akhir dari solusi. Pada dasarnya sekarang kita dapat melihat di mana atom-atom berada dengan cara yang sangat mudah. Ini membuka banyak kemungkinan penskalaan baru untuk hal-hal yang sudah lama ingin kami lakukan. Ini juga memecahkan masalah lama – membatalkan beberapa dispersi berkas dalam sampel, yang diterapkan Hans House pada tahun 1928 – yang mencegah kami melakukan ini di masa lalu. “

Ptychography bekerja dengan memindai pola sebaran yang tumpang tindih dari sampel bahan dan mencari perubahan di wilayah yang tumpang tindih.

“Kami mencari pola titik yang sangat mirip dengan pola penunjuk laser yang membuat kucing sama-sama terpesona,” kata Mueller. “Dengan melihat bagaimana pola berubah, kita dapat menghitung bentuk objek yang menyebabkan pola tersebut.”

Detektor sedikit tidak fokus, Buramkan sinarnya, Untuk mendapatkan data seluas mungkin. Data ini kemudian direkonstruksi melalui algoritma yang kompleks, menghasilkan gambar resolusi super dengan resolusi mikrometer (satu triliun meter).

“Dengan menggunakan algoritme baru ini, kami sekarang dapat mengoreksi semua keburaman mikroskop kami ke titik di mana faktor kamuflase terbesar yang kami miliki adalah fakta bahwa atom itu sendiri berosilasi, karena itulah yang terjadi pada atom pada suhu yang terbatas,” kata Mueller. Is kecepatan rata-rata dari seberapa banyak atom bergetar. “

Para peneliti dapat memecahkan rekor mereka lagi dengan menggunakan zat yang terdiri dari atom yang lebih berat dengan sedikit fluktuasi, atau dengan mendinginkan sampel. Tetapi bahkan pada suhu nol, atom masih mengalami fluktuasi kuantum, jadi peningkatannya tidak akan terlalu besar.

Bentuk pencitraan modular elektron yang lebih baru ini akan memungkinkan para ilmuwan untuk menemukan atom individu di ketiga dimensi ketika mereka dapat disembunyikan menggunakan metode pencitraan lain. Para peneliti juga akan dapat menemukan atom pengotor dalam konfigurasi yang tidak biasa dan memotretnya dengan getarannya, satu per satu. Ini mungkin sangat berguna untuk pencitraan semikonduktor, katalis, dan bahan kuantum – termasuk yang digunakan dalam Statistik Kuantitatif Dan juga untuk analisis atom pada batas-batas tempat zat terikat bersama.

Metode pencitraan juga dapat diterapkan pada sel, jaringan biologis yang tebal, atau bahkan koneksi sinaptik di otak – yang disebut Mueller sebagai “koneksi sesuai permintaan”.

Meskipun metode ini memakan waktu dan menuntut komputasi, metode ini dapat dibuat lebih efisien dengan menggunakan komputer yang lebih canggih bersama dengan pembelajaran mesin dan perangkat deteksi yang lebih cepat.

“Kami ingin menerapkan ini pada semua yang kami lakukan,” kata Mueller, yang ikut mengarahkan Kavli Institute di Cornell untuk Ilmu Skala Nano dan menjadi ketua bersama Satuan Tugas Teknik dan Sains Sistem Mikro (NEXT Nano), yang merupakan bagian dari Cornell’s Radical Inisiatif kolaborasi. . “Sampai sekarang, kita semua memakai kacamata yang sangat jelek. Dan sekarang kita sudah memiliki kacamata yang sangat bagus. Mengapa kamu tidak ingin melepas kacamata lama, memakai yang baru, dan menggunakannya setiap saat?”

Referensi: “Penulisan elektronik elektron mencapai batas presisi atom yang ditentukan oleh getaran jaringan” oleh Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom dan David A. Mall, 21 Mei 2021, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Di antara rekan penulisnya adalah Daryl Shlom, Profesor Kimia Industri di Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, PhD. 18 ‘Dia sekarang menjadi ilmuwan data garis sinar di Laboratorium Nasional Argonne; Peneliti pascadoktoral Yu-Tsun Shao dan Megan Holtz, Ph.D. ’17; Dan peneliti dari Institut Paul Scherrer dan Institut Leibniz untuk Pertumbuhan Kristal.

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation melalui Cornell Accelerated Perception, Analysis, and Discovery Platform for Interface Materials (PARADIM). Para peneliti juga mendapat manfaat dari Pusat Penelitian Bahan Cornell, yang didukung oleh Pusat Program Penelitian Bahan, Sains, dan Teknik Yayasan Sains Nasional.