Ученые получили изображения отдельных атомов с беспрецедентной детализацией

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.

Читайте также:  Ученые получили более точные данные о массе нейтрино в эксперименте KATRIN.

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.

Читайте также:  Разработан инструмент для разделения спинового тока в жидком кристалле

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.

Читайте также:  Как удар молнии меняет структуру костей: новое открытие ученых