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.
Ученые под руководством Дэвида Мюллера столкнулись с ограничениями, налагаемыми разрешающей способностью существующих измерительных технологий ( David A. Muller). Именно этот профессор инженерных наук из Корнелльского университета (США) ранее установил рекорд в данной области три года назад. Статья с описанием работы американских, швейцарских и немецких физиков размещена в журнале Science Американська асоціація сприяння розвитку 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 недавнего эксперимента, в котором физики приблизились к теоретическому пределу птихографии, они использовали электронный пучок, направляя его 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, работа его коллег напоминает приобретение новых очков после длительного периода использования линз с очень низким уровнем коррекции. Теперь исследователи стремятся применить улучшенную птихографию для изучения широкого спектра объектов — от полупроводниковых кристаллов, в которых необходимо выявлять дефекты, до живых нейронов, что позволит изучать субмолекулярные процессы, происходящие в нервной ткани. Помимо расширения перечня исследуемых образцов, физики также рассматривают возможность увеличения функциональных возможностей 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.