康奈尔大学的研究人员以创纪录的分辨率看到原子形态

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2018 年，康奈尔大学的研究人员建造了一个高性能探测器，结合称为 ptychography 的算法驱动过程， 通过将最先进的电子显微镜的分辨率提高三倍，创造了世界纪录。

尽管它很成功，但这种方法有一个弱点。它只适用于几个原子厚的超薄样品。任何更厚的东西都会导致电子以无法解开的方式散射。

这张图片显示了正钪酸镨 (PrScO3) 晶体的电子图像重建，放大了 1 亿倍

现在，再次由Samuel B. Eckert 工程学教授David Muller领导的团队使用电子显微镜像素阵列检测器 (EMPAD) 将自己的记录打破了两倍，该检测器结合了更复杂的 3D 重建算法。

分辨率是如此微调，唯一剩下的模糊是原子本身的热抖动。

该小组的论文“ Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations ”于 5 月 20 日发表在《科学》杂志上。该论文的第一作者是博士后研究员陈震。

“这不仅创造了新纪录，”穆勒说。“它已经达到了一个实际上将成为解决问题的最终限制的制度。我们现在基本上可以以一种非常简单的方式找出原子的位置。这为我们长期以来想做的事情开辟了很多新的测量可能性。它还解决了一个长期存在的问题——消除样品中光束的多次散射，Hans Bethe在 1928 年提出的问题——过去一直阻碍我们这样做。”

Ptychography 的工作原理是扫描来自材料样本的重叠散射图案并寻找重叠区域的变化。

“我们正在追逐看起来很像猫同样着迷的激光指针图案的散斑图案，”穆勒说。“通过观察图案的变化，我们能够计算出导致图案的物体的形状。”

检测器略微散焦，使光束模糊，以便捕获尽可能广泛的数据。然后通过复杂的算法重建这些数据，从而产生具有皮米（万亿分之一米）精度的超精确图像。

“通过这些新算法，我们现在能够校正显微镜的所有模糊，以至于我们留下的最大模糊因素是原子本身在摆动，因为这就是原子在有限温度下发生的情况，”穆勒说。“当我们谈论温度时，我们实际测量的是原子摆动的平均速度。”

研究人员可能会通过使用由较重原子组成的材料（其摆动较少）或通过冷却样品来再次打破他们的记录。但即使在零温度下，原子仍然存在量子涨落，因此提升幅度不会很大。

这种最新形式的电子图像将使科学家能够在所有三个维度中定位单个原子，而这些原子可能会被其他成像方法隐藏起来。研究人员还将能够找到不寻常配置的杂质原子，并一次一个地对它们及其振动进行成像。这对于成像半导体、催化剂和量子材料（包括用于量子计算的材料）以及分析材料连接在一起的边界处的原子特别有用。

这种成像方法也可以应用于厚的生物细胞或组织，甚至是大脑中的突触连接——Muller 称之为“按需连接组学”。

虽然该方法耗时且计算要求高，但可以通过更强大的计算机结合机器学习和更快的检测器来提高效率。

“我们希望将其应用于我们所做的一切，”Muller 说，他 是康奈尔大学 Kavli 纳米科学研究所的共同负责人，也是康奈尔大学激进合作计划的一部分——纳米科学和微系统工程 (NEXT Nano) 工作组 的联合主席 。 . “直到现在，我们都戴着非常糟糕的眼镜。现在我们实际上有一对非常好的一对。你为什么不想摘下旧眼镜，戴上新眼镜，一直使用呢？”

合著者包括工业化学 Herbert Fisk Johnson 教授Darrell Schlom；蒋毅博士 '18，现在是阿贡国家实验室的光束线数据科学家；博士后研究人员 Yu-Tsun Shao 和 Megan Holtz，博士。'17; 以及来自 Paul Scherrer 研究所和 Leibniz 晶体生长研究所的研究人员。

该研究得到了美国国家科学基金会通过康奈尔大学界面材料加速实现、分析和发现平台 ( PARADIM ) 的支持。研究人员还利用了 由 NSF 材料研究科学与工程中心计划支持的康奈尔材料研究中心。