Вчені з Корнелльського університету створили потужний детектор, за допомогою якого отримали зображення атомів з неймовірно високим розрізненням. Як підсумок, команда побила свій же рекорд, встановлений у 2018 р.
За допомогою методу електронної птихографії вчені отримали надзвичайно прецезійне зображення атомної решітки.
Тоді за допомогою низки технік їм вдалося аж втричі збільшити розрізнення потужного електронного мікроскопа. Однак це працювало лише з надтонкими дослідними зразками товщиною у декілька атомів.
Тепер команда значно удосконалила свої методи й змогла удвічі покращити цей рекорд. Розрізнення, якого їм вдалося досягнути, настільки високе, що нечіткість зображення викликана самим лишень тепловим коливанням атомів.
За словами дослідників, ця технологія дозволяє визначити, де є конкретні атоми в матеріалі. Це створює можливості для надзвичайно точних вимірювань, які потенційно можуть вирішити давні проблеми у багатьох науках, а також матимуть цілу низку практичних застосувань.
Наприклад, вчені та інженери зможуть по одному виявляти домішкові атоми у речовинах. Це може бути особливо корисним під час створення напівпровідників, каталізаторів та матеріалів для квантових комп’ютерів.
Технологію продемонстрували на атомах кристалу ортоскандату празеодиму (PrScO3). Вченим вдалося отримати зображення зі збільшенням у 100 млн разів, на якому можна чітко побачити атоми як яскраві точки, оточені червоними «хмарами», що є нечіткими унаслідок погойдування самих атомів.
Щоб досягнути такого збільшення, команда застосувала техніку електронної птихографії, яка сканує патерни розлітання електронів від матеріалу мішені. Мішень сканують кілька разів, причому потрібно, щоб області сканування накладались одна на одну. Спеціальний інструмент, названий «детектором масиву пікселів електронного мікроскопа» (EMPAD), фокусується на тих ділянках, де ці патерни відрізняються, а складні алгоритми 3D-реконструкції переводять їх у візуальне зображення. У такий спосіб науковці отримали зображення з розрізненням в один пікометр (10-12 м). До слова, діаметр атома становить від 50 до 200 пікометрів, тоді як діаметр його ядра має лишень 0,001 пікометра.
«Нові алгоритми візуалізації дозволили нам скоригувати зображення настільки, що єдина нечіткість на ньому – це коливання самих атомів, яке завжди присутнє за ненульової температури. Власне, саме поняття температури – це середня швидкість цього коливання», – стверджує провідний автор дослідження Девід Мюллер.
За словами Мюллера, вчені вже майже досягнули фізичного ліміту розрізнення під час знімання об’єктів мікросвіту. Однак чіткішого зображення все-таки ще можна досягнути. Для цього потрібно використати важчі атоми, які менше коливаються, а також охолодити зразки до температури, яка наближається до абсолютного нуля, за якої припиняється будь-який рух в атомах. Але навіть тоді квантові флуктуації однаково даватимуть деяку нечіткість.
Команда науковців вважає, що ці розробки використовуватимуть насамперед у молекулярній біології. Іншою сферою їхнього застосування стане створення компонентів для квантових комп’ютерів.
Mohana Basu
Scientists capture highest-ever resolution image of atoms
30/05/2021
Michael Irving
Imaging breakthrough highlights atoms in highest resolution ever
27/05/2021
Зреферував Є. Л.
Оригінал дослідження:
Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations
Science 372 (6544), pp. 826-831
DOI: 10.1126/science.abg2533
29.06.2021