يرى الباحثون الذرات بدقة قياسية

في عام 2018 ، بنى باحثو كورنيل كاشفًا عالي الطاقة ، بالاشتراك مع عملية تعتمد على الخوارزمية تسمى ptychography ، رقم قياسي عالمي عن طريق مضاعفة دقة المجهر الإلكتروني المتطور ثلاث مرات.

وبقدر ما كان ناجحًا ، كان لهذا النهج نقطة ضعف. لقد عملت فقط مع عينات فائقة النحافة كانت قليلة ذرات سميك. أي شيء أكثر سمكًا من شأنه أن يتسبب في تشتت الإلكترونات بطرق لا يمكن فصلها.

الآن فريق ، بقيادة ديفيد مولر ، أستاذ الهندسة في Samuel B. Eckert ، تفوق على سجله الخاص بعامل مضاعف باستخدام كاشف مصفوفة البكسل بالمجهر الإلكتروني (EMPAD) الذي يشتمل على خوارزميات إعادة بناء ثلاثية الأبعاد أكثر تطوراً.

تم ضبط الدقة بدقة ، والتشويش الوحيد المتبقي هو الاهتزاز الحراري للذرات نفسها.

ورقة المجموعة ، “Electron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations ،” نشرت في 20 مايو في علم. المؤلف الرئيسي للورقة هو باحث ما بعد الدكتوراه Zhen Chen.

قال مولر: “هذا لا يسجل رقماً قياسياً جديداً فقط”. “لقد وصل إلى نظام سيكون فعليًا حدًا نهائيًا للدقة. يمكننا الآن بشكل أساسي معرفة مكان وجود الذرات بطريقة سهلة للغاية. هذا يفتح الكثير من إمكانيات القياس الجديدة للأشياء التي أردناها فعل لفترة طويلة جدًا. كما أنه يحل مشكلة طويلة الأمد – إلغاء التشتت المتعدد للحزمة في العينة ، والتي وضعها هانز بيث في عام 1928 – والتي منعتنا من القيام بذلك في الماضي. “

تعمل Ptychography عن طريق مسح أنماط التشتت المتداخلة من عينة مادة والبحث عن التغييرات في المنطقة المتداخلة.

قال مولر: “نحن نطارد أنماط البقع التي تشبه إلى حد كبير أنماط مؤشر الليزر التي تفتن بها القطط على حد سواء”. “من خلال رؤية كيف يتغير النمط ، يمكننا حساب شكل الكائن الذي تسبب في هذا النمط.”

الكاشف غير مركّز قليلاً ، طمس الشعاع، من أجل الحصول على أوسع نطاق ممكن من البيانات. ثم يتم إعادة بناء هذه البيانات عبر خوارزميات معقدة ، مما ينتج عنه صورة فائقة الدقة مع دقة البيكومتر (واحد تريليون من المتر).

“باستخدام هذه الخوارزميات الجديدة ، يمكننا الآن تصحيح كل ضبابية المجهر لدينا لدرجة أن أكبر عامل تمويه لدينا هو حقيقة أن الذرات نفسها تتذبذب ، لأن هذا ما يحدث للذرات عند درجة حرارة محدودة قال مولر. “عندما نتحدث عن درجة الحرارة ، فإن ما نقيسه في الواقع هو متوسط ​​السرعة لمقدار اهتزاز الذرات.”

يمكن للباحثين أن يتفوقوا على سجلهم مرة أخرى باستخدام مادة تتكون من ذرات أثقل تذبذب أقل ، أو عن طريق تبريد العينة. ولكن حتى عند درجة حرارة الصفر ، لا تزال الذرات تعاني من تقلبات كمومية ، وبالتالي لن يكون التحسن كبيرًا جدًا.

سيمكن هذا الشكل الأحدث من التصوير النمطي للإلكترون العلماء من تحديد موقع الذرات الفردية في جميع الأبعاد الثلاثة عندما يمكن إخفاؤها بطريقة أخرى باستخدام طرق التصوير الأخرى. سيتمكن الباحثون أيضًا من العثور على ذرات الشوائب في تكوينات غير عادية وتصويرها مع اهتزازاتها ، واحدة تلو الأخرى. قد يكون هذا مفيدًا بشكل خاص في تصوير أشباه الموصلات والمحفزات والمواد الكمومية – بما في ذلك تلك المستخدمة في الحوسبة الكمومية – وكذلك لتحليل الذرات عند الحدود حيث يتم ضم المواد معًا.

يمكن أيضًا تطبيق طريقة التصوير على الخلايا أو الأنسجة البيولوجية السميكة ، أو حتى الوصلات المشبكية في الدماغ – وهو ما يشير إليه مولر باسم “الوصلات حسب الطلب”.

في حين أن هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً وتتطلب الكثير من الناحية الحسابية ، إلا أنه يمكن جعلها أكثر كفاءة باستخدام أجهزة كمبيوتر أكثر قوة جنبًا إلى جنب مع التعلم الآلي وأجهزة الكشف الأسرع.

قال مولر ، الذي يشارك في إدارة معهد Kavli في Cornell for Nanoscale Science ويشارك في رئاسة فريق عمل هندسة النظم الدقيقة (NEXT Nano) ، وهو جزء من مبادرة Cornell’s Radical Collaboration: “نريد تطبيق هذا على كل ما نقوم به”. . “حتى الآن ، كنا جميعًا نرتدي نظارات سيئة حقًا. والآن لدينا بالفعل زوجًا جيدًا حقًا. لماذا لا ترغب في خلع النظارات القديمة ، وارتداء النظارات الجديدة ، واستخدامها طوال الوقت؟ ”