Ученые рассмотрели атомы при рекордно высоком разрешении
Электронный микроскоп был создан относительно недавно, но благодаря ему ученые уже смогли сделать множество потрясающих открытий. Например, он может позволить сфотографировать отдельные молекулы или частицы коронавируса SARS-CoV-2. Два года назад исследователи также создали разновидность электронной микроскопии, которая позволяет получать объемные изображения мягких материалов, не повреждая их в процессе исследования.
Физики не раз сообщали о рекордном разрешении созданных ими приборов. В 2007 году, например, ученым удалось добиться разрешения в 0,05 нанометра или в 0,5 ангстрем, а в марте 2021 года — в 0,39 ангстрем. Новая методика, которую разработали ученые из Корнеллского университета, позволила уменьшить эту величину до менее чем 20 пикометров или 0,2 ангстрем. Интересно, что при этом авторы не проводили радикальной модернизации конструкции прибора — они заменили в нем детектор и добавили вычислительный алгоритм, который управлял процессом съемки образца.
Алгоритм получил название ptychography — именно он и стал главным «козырем» исследователей. Программа обрабатывает поступающие на детектор сигналы, идентифицирует области, из которых они пришли, и анализирует те места, где сигналы перекрываются. Детектор при этом слегка расфокусирован, из-за чего изображение получается более размытым, но зато захватывает больший объем данных. Затем эти данные восстанавливаются при помощи вычислительных алгоритмов, в результате чего получается сверхточное изображение с пикометровым разрешением.
Исследователи могли бы сделать разрешение еще выше, если бы использовали материал, состоящий из более тяжелых атомов, колеблющихся с меньшей частотой, или при охлаждении образца. Но даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, в образце все еще сохраняются квантовые флуктуации, поэтому результат пусть и улучшится, но не намного.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Изображения атомов, полученные при помощи электронного микроскопа, уже стали привычны для ученых. Но до сих пор физикам не удавалось получать снимки с разрешением в несколько пикометров