Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
На скриншоте видно изображение кристалла PrScO3, увеличенное в 100 миллионов раз. Оно получено с помощью электронной птихографии
В 2018 году ученые из Корнелла построили мощное устройство, которое вкупе с техникой сканирования под названием птихография, позволило установить новый мировой рекорд. Они взглянули на атомы в более высоком разрешении, чем позволяли на тот момент лучшие в мире электронные микроскопы.
Несмотря на успех, которого добились исследователи, у их подхода был важный недостаток. Их методика работала только с очень тонкими слоями материалов (не более нескольких атомов в толщину). Любой более толстый образец приводил к тому, что электроны «рассеивались», и их невозможно было хоть как-то анализировать.
Недавно команда специалистов во главе с Дэвидом Мюллером (David Muller) побила собственный рекорд. Она создала еще более продвинутый механизм, позволяющий взглянуть на атомы в еще более высоком разрешении. Причем настолько высоком, что на изображении остается лишь небольшое помутнение, которое вызвано «температурными скачками» самих атомов.
Работа исследователей под названием Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations была опубликована в журнале Science 20 мая.
«Это не просто новый мировой рекорд, — отмечает Мюллер. — Уже сейчас мы можем спокойной разглядывать атомы и идентифицировать их местоположение. Это открывает множество новых методик измерения данных. То, чего мы хотели достичь на протяжении многих лет. Также наше открытие решает проблемы с исследованием тканей, состоящих из большого количество слоев атомов».
Новый метод исследования позволил ученым рассматривать отдельные слои материала один за другим. Для этого используется компьютерная обработка множества изображений, полученных при помощи рассеивания света от исследуемого образца.
«Мы наблюдаем за отдельными подвижными частицами, которые засекает наш прибор, как кошки наблюдают за огоньком от лазерной указки, — говорит Мюллер. — Отслеживая поведение подвижных частиц в области наслоения интерференционных картин, мы можем использовать компьютер и просчитать то, как выглядит исследуемый образец на атомарном уровне».
Полученные данные воссоздаются с помощью сложных алгоритмов, что в итоге позволяет создать изображение с разрешением в пикометр (одна триллионная метра).
«С такими алгоритмами мы можем устранить практически все причины, вызывавшие помутнения картинки в прошлом. Единственное, что все еще немного мутит изображение — подвижность атомов из-за изменений температуры, — отмечает Мюллер. — Когда мы говорим о температуре, мы фактически говорим о том, насколько сильно дрожат атомы».
Исследователи могут побить собственный рекорд снова, если используют для экспериментов материал с более тяжелыми атомами (они менее подвижны) или охладят действующий экспериментальный образец. Но даже при нулевой температуре атомы будут шевелиться, поэтому значительного прироста в качестве картинки достичь не получится.
Электронная птихография позволит ученым отслеживать отдельные атомы в трех измерениях, а не в двух, как это было раньше. Также появится возможность отслеживать те примеси, которые невозможно обнаружить, используя классические микроскопы. Это будет особенно полезно при работе с полупроводниками, катализаторами и квантовыми материалами, включая те, что используются при создании квантовых компьютеров, а также при изучении атомов на границах соединения различных материалов. Кроме того, подобный метод исследования можно будет использовать для изучения клеток, биологических тканей и даже синапсов в мозге.
Пока что использование разработок Мюллера и его коллег обходится дорого. Нужно много времени и очень мощный компьютер, чтобы проанализировать все данные и составить четкое изображение в таком высоком разрешении. Но исследователи надеются сделать метод доступнее с помощью более мощных компьютеров и систем машинного обучения.
«Все это время мы будто носили очень плохие очки, — говорит Мюллер. — И сейчас нам словно впервые выдали пару с качественными диоптриями».
