Un microscopio increíble ve átomos con precisión estándar

Esta imagen muestra una reconstrucción telegráfica de electrones de un cristal de praseodimio de ortodoncia (PrScO3), ampliado 100 millones de veces. Crédito: Universidad de Cornell

En 2018, los investigadores de Cornell construyeron un detector de alta potencia, en combinación con un proceso basado en algoritmos llamado pticografía. Récord mundial El triple de la resolución de un microscopio electrónico avanzado.

Tan exitoso como fue, este enfoque tenía una debilidad. Solo trabajé con muestras ultrafinas de unos pocos átomos de espesor. Cualquier cosa más gruesa haría que los electrones se dispersaran de manera inseparable.

Ahora, un equipo, dirigido por David Mueller, profesor de ingeniería en Samuel B. Eckert, ha superado su récord de factor multiplicador con el Detector de matriz de píxeles de microscopía electrónica (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrucción 3D más avanzados.

La precisión está finamente ajustada y la única distorsión que queda es la vibración térmica de los propios átomos.

El artículo de investigación del grupo, “Límites de resolución atómica achivos de pticografía electrónica identificados por vibraciones retinianas”, se publicó el 20 de mayo en la revista Science. El autor principal del artículo es el investigador postdoctoral Zhen Chen.

“No solo establece un nuevo récord”, dijo Mueller. Llegó a un sistema que en realidad sería el fin final de la solución. Básicamente, ahora podemos ver dónde están los átomos de una manera muy fácil. Esto abre muchas nuevas posibilidades de escalado para las cosas que hemos querido hacer durante mucho tiempo. También resuelve un problema de larga data, deshaciendo la dispersión múltiple del haz en la muestra, que Hans House instaló en 1928, que nos impidió hacer esto en el pasado “.

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La pticografía funciona escaneando patrones de dispersión superpuestos de una muestra de material y buscando cambios en la región superpuesta.

“Estamos buscando patrones de puntos que sean muy similares a los patrones de puntero láser que fascinan igualmente a los gatos”, dijo Mueller. “Al ver cómo cambia el patrón, podemos calcular la forma del objeto que causó el patrón”.

El detector está ligeramente desenfocado, Difuminar el rayo, Con el fin de obtener el mayor abanico de datos posible. Luego, estos datos se reconstruyen a través de algoritmos complejos, lo que da como resultado una imagen de súper resolución con una resolución de un micrómetro (una billonésima parte de un metro).

“Usando estos nuevos algoritmos, ahora podemos corregir todo el desenfoque de nuestro microscopio hasta el punto en que el factor de camuflaje más grande que tenemos es el hecho de que los átomos mismos oscilan, porque eso es lo que les sucede a los átomos a una temperatura finita”, dijo Mueller. la velocidad promedio de cuánto vibran los átomos “.

Los investigadores podrían volver a batir su récord utilizando una sustancia compuesta por átomos más pesados ​​con menos fluctuaciones o enfriando la muestra. Pero incluso a temperatura cero, los átomos aún experimentan fluctuaciones cuánticas, por lo que la mejora no sería muy grande.

Esta nueva forma de generación de imágenes modulares de electrones permitirá a los científicos localizar átomos individuales en las tres dimensiones cuando, de otro modo, podrían ocultarse mediante otros métodos de generación de imágenes. Los investigadores también podrán encontrar átomos de impurezas en configuraciones inusuales y fotografiarlos con sus vibraciones, uno por uno. Esto puede ser particularmente útil para obtener imágenes de semiconductores, catalizadores y materiales cuánticos, incluidos los utilizados en Estadística cuantitativa Y también para el análisis de átomos en los límites donde las sustancias están unidas.

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El método de obtención de imágenes también se puede aplicar a células, tejidos biológicos gruesos o incluso conexiones sinápticas en el cerebro, a las que Mueller se refiere como “conexiones bajo demanda”.

Si bien este método requiere mucho tiempo y es computacionalmente exigente, se puede hacer más eficiente utilizando computadoras más potentes junto con el aprendizaje automático y dispositivos de detección más rápidos.

“Queremos aplicar esto a todo lo que hacemos”, dijo Mueller, quien codirige el Instituto Kavli en Cornell para la ciencia a nanoescala y copreside el Grupo de trabajo de ciencia e ingeniería de microsistemas (NEXT Nano), que es parte de Radical Iniciativa de colaboración. . “Hasta ahora, todos hemos estado usando anteojos realmente malos. Y ahora ya tenemos un par realmente bueno. ¿Por qué no quiere quitarse los anteojos viejos, ponerse los nuevos y usarlos todo el tiempo?”

La referencia: “La escritura electrónica del electrón alcanza los límites de precisión atómica establecidos por las vibraciones de la red” por Zain Hen, Wei Jiang, Wei Tsun Shao, Megan E. Holtz, Michael Odstersel, Manuel Jizar-Siqueiros, Isabelle Hankey, Stephen Ganshu, Darryl J. Shalom y David A. Mall, 21 de mayo de 2021, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abg2533

Entre los coautores se encuentran Daryl Shlom, profesor de química industrial en Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, PhD. 18 ‘Ahora es científico de datos de líneas de rayos en el Laboratorio Nacional de Argonne; Los investigadores postdoctorales Yu-Tsun Shao y Megan Holtz, Ph.D. ’17; E investigadores del Paul Scherrer Institute y del Leibniz Institute for Crystal Growth.

La investigación fue apoyada por la National Science Foundation a través de la plataforma de descubrimiento, análisis y percepción acelerada de materiales de interfaz de Cornell (PARADIM). Los investigadores también se beneficiaron del Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuenta con el apoyo del Programa de Investigación de Materiales, Ciencia e Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias.

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