Исследователи получили фотографию атомов в рекордном разрешении

В 2018 году исследователи из Корнеллcкого университета создали мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом, называемым птихография, установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа.

Однако детектор работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов.

Теперь команда исследователей, снова возглавляемая Дэвидом Мюллером, в два раза превзошла свой собственный рекорд с помощью детектора матрицы пикселей электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы трехмерной реконструкции.

Фотография атомов получилась настолько четкая, что единственное размытие, которое остается, — это тепловое колебание самих атомов.

«Это не просто новый рекорд», — сказал Дэвид Мюллер. «Достигнут режим, который фактически будет максимальным пределом разрешения. Теперь мы можем очень легко определить, где находятся атомы. Детектор открывает множество новых возможностей измерения того, что мы хотели. Это также решает давнюю проблему — устранение многократного рассеяния луча в образце, которое Ганс Бете изложил в 1928 году».

Птихография работает путем сканирования перекрывающихся схем рассеяния от образца материала и поиска изменений в области перекрытия.

Детектор слегка расфокусирован, размывая луч, чтобы получить как можно более широкий диапазон данных. Затем эти данные восстанавливаются с помощью сложных алгоритмов, в результате чего получается сверхточное изображение с точностью до пикометра (одна триллионная метра).

Исследователи могли бы снова побить свой рекорд, используя материал, который состоит из более тяжелых атомов, которые меньше колеблются, или охладив образец. Но даже при нулевой температуре атомы все равно имеют квантовые флуктуации, поэтому улучшение не будет очень большим.

Эта новейшая форма электронной птихографии позволит ученым определять местонахождение отдельных атомов во всех трех измерениях и создавать самые четкие фотографии атомов. Исследователи также смогут находить примесные атомы в необычных конфигурациях и отображать их и их колебания по одному.

Это может быть особенно полезно при отображении полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, включая те, которые используются в квантовых вычислениях, а также для анализа атомов на границах, где материалы соединяются вместе.

Метод визуализации может также применяться к биологическим клеткам или тканям или даже к синапсным соединениям в мозге.

Хотя этот метод требует много времени и вычислений, его можно было бы сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами.

Статья об исследовании была опубликована в журнале Science.