Les chercheurs voient les atomes avec une précision standard

En 2018, les chercheurs de Cornell ont construit un détecteur de haute puissance, en combinaison avec un processus basé sur un algorithme appelé ptychographie. Record du monde Par tripler la résolution d’un microscope électronique avancé.

Aussi réussie qu’elle ait été, cette approche avait une faiblesse. Je n’ai travaillé qu’avec des spécimens super fins qui étaient peu nombreux Atomes épais. Tout ce qui est plus épais entraînerait la dispersion des électrons de manière inséparable.

Maintenant, une équipe, dirigée par David Mueller, professeur d’ingénierie à Samuel B.Eckert, a surpassé son record de facteur multiplicateur avec le détecteur de matrice de pixels par microscopie électronique (EMPAD) qui intègre des algorithmes de reconstruction 3D plus avancés.

La précision est finement réglée, et la seule distorsion restante est la vibration thermique des atomes eux-mêmes.

Le document du groupe, « Electron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations », a été publié le 20 mai à La science. L’auteur principal de l’article est le chercheur postdoctoral Zhen Chen.

« Il ne s’agit pas seulement d’établir un nouveau record », a déclaré Mueller. « Il a atteint un système qui sera en fait une limite finale à la précision. Nous pouvons maintenant déterminer où se trouvent les atomes d’une manière très simple. Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités de mise à l’échelle pour les choses que nous voulions faire. Cela résout également un problème de longue date – l’élimination de la diffusion multiple du faisceau dans The sample, développé par Hans Bethe en 1928 – qui nous a empêchés de le faire dans le passé.

La ptychographie fonctionne en scannant des motifs de dispersion qui se chevauchent à partir d’un échantillon de matériau et en recherchant les changements dans la région de chevauchement.

«Nous recherchons les motifs de tache qui sont très similaires aux motifs de pointeur laser qui fascinent également les chats», a déclaré Mueller. « En voyant comment le motif change, nous pouvons calculer la forme de l’objet qui a causé le motif. »

Le détecteur est légèrement flou, Brouiller le rayon, Afin d’obtenir la plus large gamme de données possible. Ces données sont ensuite reconstruites via des algorithmes complexes, donnant une image en super-résolution avec une résolution d’un micromètre (un billionième de mètre).

«En utilisant ces nouveaux algorithmes, nous pouvons maintenant corriger tout le flou de notre microscope au point où le plus grand facteur de camouflage que nous ayons est le fait que les atomes eux-mêmes oscillent, car c’est ce qui arrive aux atomes à une température finie», a déclaré Mueller. la vitesse moyenne de la vibration des atomes. « 

Les chercheurs pourraient battre à nouveau leur record en utilisant une substance composée d’atomes plus lourds avec moins de fluctuations, ou en refroidissant l’échantillon. Mais même à température nulle, les atomes subissent toujours des fluctuations quantiques, donc l’amélioration ne serait pas très grande.

Cette nouvelle forme d’imagerie modulaire électronique permettra aux scientifiques de localiser des atomes individuels dans les trois dimensions lorsqu’ils peuvent être autrement cachés à l’aide d’autres méthodes d’imagerie. Les chercheurs pourront également trouver des atomes d’impuretés dans des configurations inhabituelles et les photographier avec leurs vibrations, un par un. Cela peut être particulièrement utile pour l’imagerie des semi-conducteurs, des catalyseurs et des matériaux quantiques – y compris ceux utilisés dans l’informatique quantique – ainsi que pour analyser les atomes aux frontières où les matériaux sont joints.

La méthode d’imagerie peut également être appliquée aux cellules, aux tissus biologiques plus épais ou même aux connexions synaptiques dans le cerveau – ce que Mueller appelle des «connexions à la demande».

Bien que cette méthode soit longue et exigeante en termes de calcul, elle peut être rendue plus efficace en utilisant des ordinateurs plus puissants en conjonction avec l’apprentissage automatique et des dispositifs de détection plus rapides.

«Nous voulons appliquer cela à tout ce que nous faisons», a déclaré Mueller, qui codirige l’Institut Kavli à Cornell pour la science à l’échelle nanométrique et copréside le groupe de travail sur l’ingénierie des systèmes nano (NEXT Nano), qui fait partie de l’initiative de collaboration radicale de Cornell. . « Jusqu’à présent, nous avons tous porté de très mauvaises lunettes. Et maintenant, nous en avons déjà une très bonne paire. Pourquoi ne voulez-vous pas enlever les vieilles lunettes, en porter les nouvelles et les utiliser tout le temps? »