Dzięki nowej fotografii naukowcy z Cornell pobili własny rekord, ustanowiony w 2018 roku. Wówczas uczeni potroili rozdzielczość najnowocześniejszego mikroskopu elektronowego, co pozwoliło im na uzyskiwanie obrazów o doskonałej jakości.
Jednak ta metoda miała pewien mankament – działała tylko w przypadku ultracienkich próbek o grubości kilku atomów. Niewiele grubszy materiał powodował rozproszenie elektronów w sposób, którego nie dawało się skorygować.
Teraz ten sam zespół, ponownie kierowany przez profesora inżynierii Davida Mullera, dwukrotnie pobił swój rekord z 2018 roku. A to dzięki zastosowaniu innowacyjnego urządzenia – detektora macierzy pikseli mikroskopu elektronowego (EMPAD – Electron Microscope Pixel Array Detector), który wykorzystuje jeszcze bardziej wyrafinowane algorytmy rekonstrukcji 3D, niż mikroskop powstały przed trzema laty.
Obraz mikroskopowy nadal można poprawić
W EMPAD rozdzielczość jest tak dopracowana, że jedyne rozmycie, jakie pozostaje na obrazie, jest spowodowane drganiami termicznymi atomów.
– To nie tylko ustanowienie nowego rekordu. To osiągnięcie poziomu, który faktycznie będzie ostatecznym limitem rozdzielczości. W zasadzie możemy teraz, w bardzo łatwy sposób, dowiedzieć się, gdzie znajdują się atomy. Otwiera to wiele nowych możliwości. Rozwiązuje również problem rozpraszania promieniowania w próbce, który Hans Bethe wyłożył w 1928 roku i który uniemożliwił nam zrobienie tego [zdjęcia atomu – przyp. red.] w przeszłości – mówi Muller.
Stworzony przez naukowców detektor jest lekko rozogniskowany, rozmywa wiązkę, aby uchwycić jak najszerszy zakres danych. Dane te są następnie rekonstruowane za pomocą złożonych algorytmów, dzięki czemu ostatecznie uzyskuje się ultraprecyzyjny obraz o dokładności do pikometra (jednej bilionowej metra).
– Dzięki tym nowym algorytmom jesteśmy w stanie skorygować wszystkie rozmycia obrazu z naszego mikroskopu do tego stopnia, że największym czynnikiem rozmycia, jaki pozostawiliśmy, są drgania samych atomów – wyjaśnia Muller.
Naukowcy nie wykluczają, że w przyszłości mogą ponownie pobić swój rekord. W tym celu rozważają użycie materiału składającego się z cięższych atomów, które nie będą tak silnie drgały, lub silne ochłodzenie próbki. Ale nawet w temperaturze bliskiej zera absolutnego atomy zachowują fluktuacje kwantowe, więc poprawa jakości obrazu nie byłaby zbyt duża.
Ptychografia elektronowa zmieni naukę
Ta najnowsza forma ptychografii elektronowej (wysokorozdzielczej skaningowej mikroskopii dyfrakcyjnej) umożliwi naukowcom zlokalizowanie pojedynczych atomów w przestrzeni trójwymiarowej, co nie było możliwe przy użyciu innych, dotychczasowych metod obrazowania.
Dzięki nowemu narzędziu możliwe będzie także zlokalizowanie zanieczyszczeń atomowych w różnych materiałach. Może to być szczególnie pomocne w pracach nad półprzewodnikami, katalizatorami i materiałami kwantowymi, w tym używanymi w komputerach kwantowych.
Nową metodę obrazowania można by również zastosować do badań komórek biologicznych lub tkanek, a także połączeń między synapsami w mózgu – sugeruje Muller. Chociaż metoda ta jest czasochłonna i wymagająca obliczeń, może być bardziej wydajna dzięki mocniejszym komputerom w połączeniu z uczeniem maszynowym i szybszymi detektorami.
– Do tej pory wszyscy nosiliśmy kiepskie okulary, a teraz mamy naprawdę dobrą parę. Dlaczego nie mielibyśmy chcieć zdjąć starych okularów, założyć nowych i używać ich cały czas? – podsumowuje Muller, który zapowiada, że chcę wykorzystywać nową metodę wszędzie tam, gdzie będzie to możliwe.
Źródło: Science