Um microscópio incrível vê átomos com precisão padrão

Esta imagem mostra uma reconstrução telegráfica de elétrons de um cristal ortodôntico praseodímio (PrScO3), ampliado 100 milhões de vezes. Crédito: Cornell University

Em 2018, os pesquisadores da Cornell construíram um detector de alta potência, em combinação com um processo baseado em algoritmo chamado pticografia. Recorde mundial Pelo triplo da resolução de um microscópio eletrônico avançado.

Por mais bem-sucedida que fosse, essa abordagem tinha um ponto fraco. Trabalhei apenas com amostras ultrafinas com alguns átomos de espessura. Qualquer coisa mais espessa faria com que os elétrons se dispersassem de maneiras inseparáveis.

Agora, uma equipe, liderada por David Mueller, professor de engenharia da Samuel B. Eckert, superou seu registro de fator multiplicador com o Detector de Matriz de Pixel de Microscopia Eletrônica (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrução 3D mais avançados.

A precisão é ajustada com precisão, e a única distorção remanescente é a vibração térmica dos próprios átomos.

O artigo de pesquisa do grupo, “Limites de resolução atômica Achiives de Ptychography Electron Identified by Retinal Vibrations”, foi publicado em 20 de maio na Science. O autor principal do artigo é o pesquisador de pós-doutorado Zhen Chen.

“Isso não apenas estabeleceu um novo recorde”, disse Mueller. Ele chegou a um sistema que seria realmente o fim final da solução. Basicamente, agora podemos ver onde estão os átomos de uma maneira muito fácil. Isso abre muitas novas possibilidades de dimensionamento para as coisas que desejamos fazer há muito tempo. Também resolve um problema antigo – desfazendo a dispersão múltipla do feixe na amostra, que Hans House implantou em 1928 – que nos impedia de fazer isso no passado. “

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Ptychography funciona digitalizando padrões de dispersão sobrepostos de uma amostra de material e procurando por mudanças na região de sobreposição.

“Estamos procurando por padrões de pontos muito semelhantes aos padrões de ponteiros de laser que os gatos são igualmente fascinados”, disse Mueller. “Ao ver como o padrão muda, podemos calcular a forma do objeto que causou o padrão.”

O detector está ligeiramente desfocado, Desfocar o raio, Para obter a maior gama de dados possível. Esses dados são então reconstruídos por meio de algoritmos complexos, resultando em uma imagem de super-resolução com resolução de um micrômetro (um trilionésimo de metro).

“Usando esses novos algoritmos, agora podemos corrigir todo o desfoque do nosso microscópio até o ponto em que o maior fator de camuflagem que temos é o fato de que os próprios átomos oscilam, porque é isso que acontece com os átomos em uma temperatura finita”, disse Mueller. a velocidade média de quanto os átomos vibram. “

Os pesquisadores poderiam bater seu recorde novamente usando uma substância composta de átomos mais pesados ​​com menos flutuação ou resfriando a amostra. Mas mesmo na temperatura zero, os átomos ainda experimentam flutuações quânticas, então a melhoria não seria muito grande.

Esta nova forma de imagem modular de elétrons permitirá que os cientistas localizem átomos individuais em todas as três dimensões quando eles podem ser ocultados usando outros métodos de imagem. Os pesquisadores também serão capazes de encontrar átomos de impureza em configurações incomuns e fotografá-los com suas vibrações, um por um. Isso pode ser particularmente útil para semicondutores de imagem, catalisadores e materiais quânticos – incluindo aqueles usados ​​em Estatística Quantitativa E também para a análise de átomos em limites onde as substâncias estão ligadas.

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O método de imagem também pode ser aplicado a células, tecidos biológicos espessos ou mesmo conexões sinápticas no cérebro – que Mueller chama de “conexões sob demanda”.

Embora esse método seja demorado e exigente do ponto de vista computacional, ele pode se tornar mais eficiente usando computadores mais poderosos em conjunto com aprendizado de máquina e dispositivos de detecção mais rápidos.

“Queremos aplicar isso a tudo o que fazemos”, disse Mueller, que co-dirige o Kavli Institute em Cornell for Nanoscale Science e co-preside a Micro Systems Science and Engineering Task Force (NEXT Nano), que faz parte do Radical de Cornell Iniciativa de colaboração. . “Até agora, todos nós usamos óculos muito ruins. E agora já temos um par muito bom. Por que você não quer tirar os óculos antigos, usar os novos e usá-los o tempo todo?”

A referência: “A escrita eletrônica do elétron atinge os limites de precisão atômica estabelecidos pelas vibrações da rede” por Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom e David A. Mall, 21 de maio de 2021, Ciência.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Entre os co-autores está Daryl Shlom, Professor de Química Industrial na Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, PhD. 18 ‘Ele agora é um cientista de dados de linha de raio no Argonne National Laboratory; Pesquisadores de pós-doutorado Yu-Tsun Shao e Megan Holtz, Ph.D. ’17; E pesquisadores do Instituto Paul Scherrer e do Instituto Leibniz para o Crescimento de Cristais.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation por meio da Plataforma de Percepção, Análise e Descoberta Acelerada Cornell para Materiais de Interface (PARADIM). Os pesquisadores também se beneficiaram do Cornell Materials Research Center, que é apoiado pelo Center for Materials, Science, and Engineering Research Program da National Science Foundation.

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Annaliese Franke

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