Vooruitgang in elektronenmicroscopie - het gebruik van elektronen als beeldvormende hulpmiddelen om dingen te zien die ver buiten het bereik liggen van conventionele microscopen die licht gebruiken - hebben een nieuw venster geopend in de wereld op nanoschaal en hebben een breed scala aan monsters in beeld gebracht als nooit tevoren.

Elektronenmicroscopie-experimenten kunnen slechts een fractie gebruiken van de mogelijke informatie die wordt gegenereerd als de elektronenbundel van de microscoop interageert met monsters. Nutsvoorzieningen, een team van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) heeft een nieuw soort elektronendetector ontworpen die alle informatie in deze interacties vastlegt.

Dit nieuwe hulpmiddel, een supersnelle detector geïnstalleerd op 12 februari in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een wetenschappelijke gebruikersfaciliteit op nanoschaal, legt meer beelden vast in een sneller tempo, het onthullen van details op atomaire schaal over veel grotere gebieden dan voorheen mogelijk was. De Molecular Foundry en zijn elektronenmicroscopen van wereldklasse in het National Center for Electron Microscopy (NCEM) bieden toegang tot onderzoekers van over de hele wereld.

Snellere beeldvorming kan ook belangrijke veranderingen onthullen die monsters ondergaan en films opleveren versus geïsoleerde snapshots. Het zou kunnen, bijvoorbeeld, helpen wetenschappers om werkende batterij- en microchipcomponenten op atomaire schaal beter te onderzoeken voordat ze schade oplopen.

de detektor, die een speciale directe verbinding heeft met de Cori-supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Lab, zullen wetenschappers in staat stellen om beelden op atomaire schaal op te nemen met timing gemeten in microseconden, of miljoensten van een seconde – 60 keer sneller dan mogelijk is met bestaande detectoren.

"Het is de snelste elektronendetector ooit gemaakt, " zei Andrew Minor, NCEM facility director bij de Molecular Foundry.

"Het opent een nieuw tijdregime om te verkennen met microscopie met hoge resolutie. Niemand heeft ooit continue films gemaakt met deze tijdresolutie" met behulp van elektronenbeeldvorming, hij zei. "Wat gebeurt daar? Er zijn allerlei soorten dynamiek die kunnen optreden. We weten het gewoon niet omdat we ze nog nooit eerder hebben kunnen bekijken." De nieuwe films kunnen kleine vervormingen en bewegingen in materialen onthullen, bijvoorbeeld, en laat chemie in actie zien.

De ontwikkeling van de nieuwe detector, bekend als de "4-D Camera" (voor Dynamic Diffraction Direct Detector), is de nieuwste in een reeks van baanbrekende innovaties in elektronenmicroscopie, beeldvorming op atomaire schaal, en high-speed data-overdracht en computing bij Berkeley Lab die meerdere decennia beslaan.

"Onze groep werkt al een tijdje aan het maken van betere detectoren voor microscopie, " zei Peter Denes, een senior wetenschapper bij Berkeley Lab en een lange tijd pionier in de ontwikkeling van elektronenmicroscopie-instrumenten.

"Je krijgt een heel verstrooiingspatroon in plaats van slechts één punt, en je kunt teruggaan en de gegevens opnieuw analyseren om dingen te vinden waar je je misschien niet eerder op concentreerde, "Zei Denes. Dit produceert snel een compleet beeld van een monster door eroverheen te scannen met een elektronenstraal en informatie vast te leggen op basis van de elektronen die van het monster verstrooien.

Maria Schot, een faculteitswetenschapper bij de Molecular Foundry, zei dat de unieke geometrie van de nieuwe detector studies van zowel lichte als zware elementen in materialen naast elkaar mogelijk maakt. "De reden waarom je een van deze meer gecompliceerde experimenten zou willen doen, zou zijn om de posities van lichtelementen te meten, vooral in materialen die erg gevoelig kunnen zijn voor de elektronenstraal - zoals lithium in een batterijmateriaal - en idealiter zou je ook de posities van zware elementen in datzelfde materiaal nauwkeurig kunnen meten, " ze zei.

De nieuwe detector is geïnstalleerd op de Transmission Electron Aberration-corrected Microscope 0.5 (TEAM 0.5) van de Molecular Foundry, die records met hoge resolutie vestigde toen het tien jaar geleden op NCEM werd gelanceerd en waarmee bezoekende onderzoekers toegang hebben tot een resolutie van één atoom voor sommige monsters. De detector genereert maar liefst 4 terabyte aan data per minuut.

"De hoeveelheid data staat gelijk aan het kijken naar ongeveer 60, 000 HD-films tegelijk, " zei Peter Ercius, een stafwetenschapper bij de Molecular Foundry die gespecialiseerd is in 3D-beeldvorming op atomaire schaal.

Brent Draney, een netwerkarchitect bij NERSC van Berkeley Lab, zei dat Ercius en Denes NERSC hadden benaderd om te zien wat er nodig was om een ​​systeem te bouwen dat deze enorme, Gegevensstroom van 400 gigabit geproduceerd door de 4D-camera.

Zijn reactie:"We hebben eigenlijk al een systeem dat dat kan. Wat we echt moesten doen, was een netwerk bouwen tussen de microscoop en de supercomputer."

Cameragegevens worden via ongeveer 100 glasvezelverbindingen overgebracht naar een snelle ethernetverbinding van ongeveer 1, 000 keer sneller dan het gemiddelde thuisnetwerk, zei Ian Johnson, een stafwetenschapper in de Engineering Division van Berkeley Lab. Het netwerk verbindt de Foundry met de Cori-supercomputer bij NERSC.

Berkeley Lab's Energy Sciences Network (ESnet), die onderzoekscentra verbindt met snelle datanetwerken, deelgenomen aan de inspanning.

Ercius zei, "De supercomputer zal de gegevens in ongeveer 20 seconden analyseren om de wetenschappers onder de microscoop snel feedback te geven om te zien of het experiment succesvol was of niet."

Jim Ciston, een andere stafwetenschapper van Molecular Foundry, zei, "We zullen eigenlijk elk elektron vangen dat door het monster komt terwijl het verstrooid is. Door deze echt grote dataset kunnen we 'virtuele' experimenten op het monster uitvoeren - we hoeven niet terug te gaan en nieuwe gegevens te nemen van verschillende beeldvormingsomstandigheden."

Het werk aan de nieuwe detector en de ondersteunende datasystemen zou ten goede moeten komen aan andere faciliteiten die grote hoeveelheden data produceren, zoals de Advanced Light Source en de geplande upgrade, en het LCLS-II-project bij SLAC National Accelerator Laboratory, merkte Ciston op.

De geavanceerde lichtbron, ESnet, Moleculaire Gieterij, en NERSC zijn DOE Office of Science User Facilities.

De ontwikkeling van de 4-D-camera werd ondersteund door het Accelerator and Detector Research Program van het Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences, en het werk bij de Molecular Foundry werd ondersteund door het DOE's Office of Basic Energy Sciences.