康奈爾大學的研究人員以創紀錄的分辨率看到原子形態
2018 年，康奈爾大學的研究人員建造了一個高性能探測器，結合稱為 ptychography 的算法驅動過程， 通過將最先進的電子顯微鏡的分辨率提高三倍，創造了世界紀錄。
盡管它很成功，但這種方法有一個弱點。它只適用于幾個原子厚的超薄樣品。任何更厚的東西都會導致電子以無法解開的方式散射。
這張圖片顯示了正鈧酸鐠 (PrScO3) 晶體的電子圖像重建，放大了 1 億倍
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現在，再次由Samuel B. Eckert 工程學教授David Muller領導的團隊使用電子顯微鏡像素陣列檢測器 (EMPAD) 將自己的記錄打破了兩倍，該檢測器結合了更復雜的 3D 重建算法。
分辨率是如此微調，唯一剩下的模糊是原子本身的熱抖動。
該小組的論文“ Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations ”于 5 月 20 日發表在《科學》雜志上。該論文的第一作者是博士后研究員陳震。
“這不僅創造了新紀錄，”穆勒說。“它已經達到了一個實際上將成為解決問題的最終限制的制度。我們現在基本上可以以一種非常簡單的方式找出原子的位置。這為我們長期以來想做的事情開辟了很多新的測量可能性。它還解決了一個長期存在的問題——消除樣品中光束的多次散射，Hans Bethe在 1928 年提出的問題——過去一直阻礙我們這樣做。”
Ptychography 的工作原理是掃描來自材料樣本的重疊散射圖案并尋找重疊區域的變化。
“我們正在追逐看起來很像貓同樣著迷的激光指針圖案的散斑圖案，”穆勒說。“通過觀察圖案的變化，我們能夠計算出導致圖案的物體的形狀。”
檢測器略微散焦，使光束模糊，以便捕獲盡可能廣泛的數據。然后通過復雜的算法重建這些數據，從而產生具有皮米（萬億分之一米）精度的超精確圖像。
“通過這些新算法，我們現在能夠校正顯微鏡的所有模糊，以至于我們留下的最大模糊因素是原子本身在擺動，因為這就是原子在有限溫度下發生的情況，”穆勒說。“當我們談論溫度時，我們實際測量的是原子擺動的平均速度。”
研究人員可能會通過使用由較重原子組成的材料（其擺動較少）或通過冷卻樣品來再次打破他們的記錄。但即使在零溫度下，原子仍然存在量子漲落，因此提升幅度不會很大。
這種最新形式的電子圖像將使科學家能夠在所有三個維度中定位單個原子，而這些原子可能會被其他成像方法隱藏起來。研究人員還將能夠找到不尋常配置的雜質原子，并一次一個地對它們及其振動進行成像。這對于成像半導體、催化劑和量子材料（包括用于量子計算的材料）以及分析材料連接在一起的邊界處的原子特別有用。
這種成像方法也可以應用于厚的生物細胞或組織，甚至是大腦中的突觸連接——Muller 稱之為“按需連接組學”。
雖然該方法耗時且計算要求高，但可以通過更強大的計算機結合機器學習和更快的檢測器來提高效率。
“我們希望將其應用于我們所做的一切，”Muller 說，他 是康奈爾大學 Kavli 納米科學研究所的共同負責人，也是康奈爾大學激進合作計劃的一部分——納米科學和微系統工程 (NEXT Nano) 工作組 的聯合主席 。 . “直到現在，我們都戴著非常糟糕的眼鏡。現在我們實際上有一對非常好的一對。你為什么不想摘下舊眼鏡，戴上新眼鏡，一直使用呢？”
合著者包括工業化學 Herbert Fisk Johnson 教授Darrell Schlom；蔣毅博士 '18，現在是阿貢國家實驗室的光束線數據科學家；博士后研究人員 Yu-Tsun Shao 和 Megan Holtz，博士。'17; 以及來自 Paul Scherrer 研究所和 Leibniz 晶體生長研究所的研究人員。
該研究得到了美國國家科學基金會通過康奈爾大學界面材料加速實現、分析和發現平臺 ( PARADIM ) 的支持。研究人員還利用了 由 NSF 材料研究科學與工程中心計劃支持的康奈爾材料研究中心。