Ученые достигли беспрецедентной детализации при визуализации отдельных атомных структур

Новости МирТесен

Усовершенствованный метод птихографии, разработанный международной командой ученых, позволил приблизиться к пониманию физических границ его разрешающей способности. Полученное изображение демонстрирует отдельные атомы, а наблюдаемые искажения обусловлены их тепловыми колебаниями.

Команда ученых, достигшая максимальной разрешающей способности существующих способов анализа данных, возглавлялась Дэвидом Мюллером ( David A. Muller). Этот профессор инженерных дисциплин из Корнелльского университета (Соединенные Штаты Америки) ранее установил лучший результат в этой сфере три года назад. Описание работы физиков из США, Швейцарии и Германии опубликовано в размещена в журнале ScienceАмериканском обществе по прогрессу науки ( AAAS). Поскольку публикация закрытая, потрясающие изображения, большая часть которых, к сожалению, понятна только профессионалам, можно увидеть в препринте научной работы на портале arXiv.

Птихография обеспечивает более четкое разрешение отдельных атомов по сравнению с другими методами, такими как атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия. Наиболее важным является то, что этот метод позволяет исследовать внутреннюю структуру вещества, а не только его поверхность. Принцип птихографии можно упрощенно представить следующим образом: на образец фокусируется слегка расфокусированный пучок электронов или рентгеновского излучения. За облучаемым объектом располагается приемник, на котором формируется интерферометрическая картина из электронов или фотонов.

При обработке полученного сигнала компьютер определяет местоположение атомов, отклонивших фотоны или электроны. Несмотря на совершенствование технологии, у нее остаются определенные ограничения. К примеру, толщина анализируемого образца пока не превышает нескольких десятков нанометров. С увеличением толщины требуется более мощный компьютер для обработки сигналов и реконструкции изображения, а также возрастают шум и искажения. Однако команда Мюллера оптимистично настроена и разрабатывает несколько подходов к дальнейшему совершенствованию технологии.

В ходе последнего эксперимента, когда они приблизились к теоретическим пределам птихографии, ученые использовали электронный луч, который был нацелен под различными углами на тонкий кристалл. PrScO3. Ученые получили изображения, на которых отчетливо различима трехмерная структура перовскита, сформированного атомами празеодима, скандия и кислорода. В качестве сравнения в работе представлены примеры аналогичных исследований, выполненных с использованием других методов визуализации.

По словам Мюллера, исследование его коллег сравнимо с приобретением новой оптики после длительного периода использования некачественных линз. Специалисты выражают энтузиазм по поводу применения усовершенствованной методики для анализа широкого спектра объектов – от полупроводниковых кристаллов (для выявления дефектов) до живых нейронов (с целью изучения процессов, протекающих на субмолекулярном уровне в нервной ткани). Помимо расширения перечня анализируемых материалов, ученые рассматривают возможности улучшения самого метода.

Прежде всего, существует простой способ увеличения разрешения – использование образцов, состоящих из более тяжелых атомов, и их охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю. Однако, если разница в четкости изображения между результатами 2018 года и текущей работой составляла почти два порядка, то дальнейшее охлаждение не приведет к столь значительному улучшению. Также возможно применение суперкомпьютеров и нейронных сетей для ускорения обработки данных, получаемых приемником. Данное усовершенствование вряд ли повысит разрешение метода, но позволит сканировать более крупные структуры.