2018年,康奈尔大学的研究人员建造了一个高性能探测器,结合一种名为ptychography的算法驱动过程,通过将最先进的电子显微镜的分辨率提高两倍,创造了一项世界纪录。


尽管取得了成功,但这种方法有一个弱点。它仅适用于几个原子厚的超薄样品。任何较厚的物质都会导致电子以无法解开的方式散射。


现在,由大卫·穆勒(Samuel B. Eckert)的工程学教授再次领导的一个团队利用电子显微镜像素阵列检测器(EMPAD)结合了更复杂的3D重建算法,将自己的记录提高了两倍。


分辨率调整得如此之好,唯一的模糊就是原子自身的热振动。

研究人员结合更复杂的3D重建算法刷新原子分辨率纪录

该图像显示了原扫描scan(PrScO 3)晶体的电子声谱图重建,放大了1亿倍。(图片由研究人员提供)


该小组的论文发表在《科学》杂志上(“Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations”)。该论文的主要作者是博士后研究员甄珍。


穆勒说,这不仅创下了新纪录。已经达成了一个有效的解决方案。我们现在基本上可以很简单地找出原子的位置。这为我们长期以来一直想做的事情开辟了很多新的测量可能性。它还解决了一个长期存在的问题,消除了样品中光束的多次散射,这是汉斯·贝特在1928年提出的,这在过去阻碍了我们这么做。


气相色谱法的工作原理是扫描材料样品中重叠的散射图案,并寻找重叠区域中的变化。


穆勒说,我们追求的散斑图案看起来很像猫同样着迷的那些激光指示器图案。通过查看图案的变化,我们能够计算出引起图案的物体的形状。

研究人员结合更复杂的3D重建算法刷新原子分辨率纪录

检测器略微散焦,使光束模糊,以捕获最大范围的数据。然后,通过复杂的算法重建该数据,从而获得具有皮米(万亿分之一米)精度的超高精度图像。


通过这些新算法,我们现在能够校正显微镜的所有模糊,以至于我们剩下的最大模糊因子是原子本身会摆动的事实,因为这是原子在有限温度下发生的情况,穆勒说,当我们谈论温度时,我们实际上要测量的是原子摇摆的平均速度。


研究人员可能通过使用一种由较重的原子组成的材料(其摆动较少)或冷却样品来再次刷新他们的记录。但是即使在零温度下,原子仍然具有量子涨落,因此改善不会很大。


这种最新形式的电子谱图分析技术使科学家可以在其他三个成像方法中隐藏单个原子的情况下,在所有三个维度上定位单个原子。研究人员还将能够一次发现异常结构中的杂质原子,并对它们及其振动进行成像。这对于成像半导体,催化剂和量子材料(包括用于量子计算的那些材料)以及分析将材料连接在一起的边界处的原子特别有用。


这种成像方法还可以应用于厚的生物细胞或组织,甚至可以应用于大脑中的突触连接,穆勒称之为“按需连接基因组学”。


尽管该方法既耗时又计算量大,但可以使用功能更强大的计算机结合机器学习和更快的检测器来使其效率更高。


我们想把这个应用到我们所做的所有事情上,穆勒说,他是康奈尔大学纳米科学卡维利研究所的联合主任,也是康奈尔大学激进合作计划的一部分,纳米科学和微系统工程(NEXT Nano)特别工作组的联合主席,直到现在,我们都戴着非常糟糕的眼镜。现在我们有了一对很好的搭档。你为什么不想取下旧眼镜,戴上新的,一直用它们呢?


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