표준 정확도로 원자를 보는 놀라운 현미경

이 이미지는 1 억 배로 확대 된 교정 용 프라세오디뮴 결정 (PrScO3)의 전자 전신 재구성을 보여줍니다. 크레딧 : Cornell University

2018 년 코넬 연구원은 ptychography라는 알고리즘 기반 프로세스와 결합하여 고성능 검출기를 구축했습니다. 세계 기록 첨단 전자 현미경의 3 배 해상도.

성공했지만이 접근 방식에는 약점이있었습니다. 저는 원자 몇 개 두께의 초박형 샘플로만 작업했습니다. 더 두꺼운 것은 전자가 분리 할 수없는 방식으로 산란되도록합니다.

이제 Samuel B. Eckert의 엔지니어링 교수 인 David Mueller가 이끄는 팀은보다 고급 3D 재구성 알고리즘을 통합 한 EMPAD (Electron Microscopy Pixel Matrix Detector)를 사용하여 승수 계수 기록을 능가했습니다.

정밀도는 미세하게 조정되었으며 남은 왜곡은 원자 자체의 열 진동뿐입니다.

이 그룹의 연구 논문 “Electron Ptychography Achiives Atomic-Resolution Limits by Retinal Vibrations”는 5 월 20 일 Science에 게재되었습니다. 이 논문의 주저자는 박사후 연구원 Zhen Chen입니다.

“그것은 단지 새로운 기록을 세우는 것이 아닙니다. 그는 실제로 솔루션의 마지막 끝이 될 시스템에 도달했습니다. 기본적으로 우리는 원자가 어디에 있는지 매우 쉽게 볼 수 있습니다. 이것은 우리가 오랫동안하고 싶었던 일들에 대해 많은 새로운 확장 가능성을 열어줍니다. 또한 Hans House가 1928 년에 배치 한 샘플에서 빔의 다중 분산을 취소하는 오랜 문제를 해결하여 과거에이 작업을 수행 할 수 없었습니다. “

Ptychography는 재료 샘플에서 겹치는 산란 패턴을 스캔하고 겹치는 영역의 변화를 찾는 방식으로 작동합니다.

“우리는 고양이가 똑같이 매료하는 레이저 포인터 패턴과 매우 유사한 점 패턴을 찾고 있습니다.”라고 Mueller는 말했습니다. “패턴이 어떻게 변하는 지 확인함으로써 패턴을 유발 한 물체의 모양을 계산할 수 있습니다.”

감지기는 약간 초점이 맞지 않습니다. 광선 흐림, 가능한 가장 광범위한 데이터를 얻기 위해. 이 데이터는 복잡한 알고리즘을 통해 재구성되어 마이크로 미터 (1 조분의 1 미터) 해상도의 초 고해상도 이미지가 생성됩니다.

“이 새로운 알고리즘을 사용하여 우리가 가진 가장 큰 위장 요인은 원자 자체가 진동한다는 사실이 유한 한 온도에서 원자에 발생하기 때문입니다.”라고 Mueller는 말했습니다. 원자가 진동하는 평균 속도입니다. “

연구원들은 변동이 적은 무거운 원자로 구성된 물질을 사용하거나 샘플을 냉각함으로써 기록을 다시 갱신 할 수있었습니다. 그러나 영하의 온도에서도 원자는 여전히 양자 변동을 경험하므로 개선은 그리 크지 않을 것입니다.

이 새로운 형태의 전자 모듈 형 이미징을 통해 과학자들은 다른 이미징 방법을 사용하여 숨길 수있을 때 3 차원 모두에서 개별 원자를 찾을 수 있습니다. 연구원들은 또한 특이한 형태의 불순물 원자를 찾아 진동과 함께 하나씩 사진을 찍을 수 있습니다. 이것은 반도체, 촉매 및 양자 물질을 이미징하는 데 특히 유용 할 수 있습니다. 정량적 통계 또한 물질이 결합 된 경계의 원자 분석에도 사용됩니다.

이미징 방법은 세포, 두꺼운 생물학적 조직 또는 뇌의 시냅스 연결에도 적용될 수 있습니다.이를 Mueller는 “요청시 연결”이라고합니다.

이 방법은 시간과 계산이 많이 필요하지만 기계 학습 및 더 빠른 감지 장치와 함께 더 강력한 컴퓨터를 사용하면 더 효율적으로 만들 수 있습니다.

코넬의 나노 스케일 과학을위한 코넬의 Kavli 연구소를 공동 감독하고 코넬의 Radical의 일부인 Micro Systems Science and Engineering Task Force (NEXT Nano)의 공동 의장을 맡고있는 Mueller는 “우리가하는 모든 일에 이것을 적용하고 싶습니다. 협업 이니셔티브. . “지금까지 우리는 모두 정말 나쁜 안경을 쓰고있었습니다. 그리고 지금은 이미 정말 좋은 안경을 가지고 있습니다. 왜 낡은 안경을 벗고 새 안경을 쓰고 항상 사용하지 않겠습니까?”

참고 문헌 : Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom 및 David A. Mall, 2021 년 5 월 21 일, 과학.
DOI : 10.1126 / science.abg2533

공동 저자 중에는 Herbert Fisk Johnson의 산업 화학 교수 인 Daryl Shlom이 있습니다. Yi Jiang, PhD. 18 ‘그는 현재 Argonne National Laboratory의 광선 데이터 과학자입니다. 박사후 연구원 Shao Yu-Tsun 및 Megan Holtz, Ph.D. ’17; 그리고 Paul Scherrer 연구소와 크리스탈 성장을위한 라이프니츠 연구소의 연구원들.

이 연구는 Cornell Accelerated Perception, Analysis 및 Discovery Platform for Interface Materials (PARADIM)를 통해 National Science Foundation의 지원을 받았습니다. 연구원들은 또한 National Science Foundation의 재료, 과학 및 공학 연구 프로그램을위한 센터에서 지원하는 Cornell 재료 연구 센터의 혜택을 받았습니다.