in 2018, Cornell-onderzoekers bouwden een krachtige detector die, in combinatie met een algoritme-gestuurd proces genaamd ptychografie, een wereldrecord gevestigd door de resolutie van een ultramoderne elektronenmicroscoop te verdrievoudigen.

Hoe succesvol het ook was, die aanpak had een zwakte. Het werkte alleen met ultradunne monsters die een paar atomen dik waren. Alles wat dikker is, zou ervoor zorgen dat de elektronen verstrooien op manieren die niet kunnen worden ontward.

Nu een team, opnieuw geleid door David Muller, de Samuel B. Eckert hoogleraar techniek, heeft zijn eigen record met een factor twee verbeterd met een elektronenmicroscoop-pixelarraydetector (EMPAD) die nog geavanceerdere 3D-reconstructie-algoritmen bevat.

De resolutie is zo verfijnd, de enige vervaging die overblijft is het thermische schudden van de atomen zelf.

Het blad van de groep, "Electron Ptychography bereikt limieten voor atomaire resolutie die zijn ingesteld door Lattice Vibrations, " gepubliceerd op 20 mei in Wetenschap . De hoofdauteur van het artikel is postdoctoraal onderzoeker Zhen Chen.

"Dit is niet alleen een nieuw record, "Zei Muller. "Het heeft een regime bereikt dat in feite een ultieme limiet voor oplossing zal zijn. We kunnen nu op een heel gemakkelijke manier achterhalen waar de atomen zijn. Dit opent een heleboel nieuwe meetmogelijkheden van dingen die we al heel lang wilden doen. Het lost ook een al lang bestaand probleem op:het ongedaan maken van de meervoudige verstrooiing van de straal in het monster, die Hans Bethe in 1928 uitstippelde - dat heeft ons in het verleden ervan weerhouden om dit te doen."

Ptychografie werkt door overlappende verstrooiingspatronen van een materiaalmonster te scannen en te zoeken naar veranderingen in het overlappende gebied.

"We jagen op spikkelpatronen die veel lijken op die laserpointerpatronen waar katten even gefascineerd door zijn, "Zei Muller. "Door te zien hoe het patroon verandert, we zijn in staat om de vorm te berekenen van het object dat het patroon heeft veroorzaakt."

De detector is enigszins onscherp, de straal vervagen, om een ​​zo breed mogelijk scala aan gegevens vast te leggen. Deze gegevens worden vervolgens gereconstrueerd via complexe algoritmen, wat resulteert in een ultraprecies beeld met picometer (een biljoenste van een meter) precisie.

"Met deze nieuwe algoritmen, we kunnen nu alle vervaging van onze microscoop corrigeren tot het punt dat de grootste vervagingsfactor die we nog hebben, het feit is dat de atomen zelf wiebelen, want dat gebeurt er met atomen bij eindige temperatuur, "Zei Muller. "Als we het over temperatuur hebben, wat we eigenlijk meten is de gemiddelde snelheid van hoeveel de atomen wiebelen."

De onderzoekers zouden hun record mogelijk opnieuw kunnen overtreffen door een materiaal te gebruiken dat bestaat uit zwaardere atomen, die minder wiebelen, of door het monster af te koelen. Maar zelfs bij nul temperatuur, atomen hebben nog steeds kwantumfluctuaties, dus de verbetering zou niet erg groot zijn.

Deze nieuwste vorm van elektronenptiekografie stelt wetenschappers in staat om individuele atomen in alle drie de dimensies te lokaliseren wanneer ze anders verborgen zouden zijn met andere beeldvormingsmethoden. Onderzoekers zullen ook in staat zijn om onzuivere atomen in ongebruikelijke configuraties te vinden en ze en hun trillingen in beeld te brengen, een per keer. Dit kan met name nuttig zijn bij het afbeelden van halfgeleiders, katalysatoren en kwantummaterialen - inclusief die worden gebruikt in kwantumcomputers - en voor het analyseren van atomen aan de grenzen waar materialen met elkaar worden verbonden.

De beeldvormingsmethode kan ook worden toegepast op dikke biologische cellen of weefsels, of zelfs de synapsverbindingen in de hersenen - wat Muller 'connectomics on demand' noemt.

Hoewel de methode tijdrovend en rekenkundig veeleisend is, het zou efficiënter kunnen worden gemaakt met krachtigere computers in combinatie met machine learning en snellere detectoren.

"We willen dit toepassen op alles wat we doen, " zei Müller, die co-directeur is van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science en medevoorzitter is van de Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, onderdeel van Cornell's Radical Collaboration-initiatief. "Tot nu, we hebben allemaal een hele slechte bril gedragen. En nu hebben we eigenlijk een heel goed paar. Waarom zou je de oude bril niet willen afzetten, trek de nieuwe aan, en ze de hele tijd gebruiken?"