Учёные смогли сфотографировать атомы в шикарном разрешении

Международная команда учёных усовершенствовала метод птихографии, что позволило подобраться к физическим ограничениям его разрешающей способности. В полученной ими картинке видны отдельные атомы, а немногие искажения вызваны их тепловыми колебаниями.

Отдельные атомы в кристаллической решетке PrScO3, имеющей структуру перовскита / ©Cornell University

Достигшая пределов разрешающей способности современных методов измерения группа учёных работала под руководством Дэвида Мюллера (David A. Muller). Именно этот профессор инженерных наук из Корнелльского университета (США) поставил предыдущий рекорд в данной области три года назад. Статья с описанием работы американских, швейцарских и немецких физиков размещена в журнале Science Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS). Поскольку публикация закрытая, потрясающие изображения, большая часть которых, к сожалению, понятна только профессионалам, можно посмотреть в препринте научной работы на портале arXiv.

Птихография позволяет различать отдельные атомы четче, чем любые другие способы, включая атомно-силовые и сканирующие туннельные микроскопы. Что самое главное, этот метод «заглядывает» внутрь структуры исследуемого вещества, а не просто сканирует его поверхность. Упрощенно принцип птихографии можно описать следующим образом. На образец направляется слегка расфокусированный пучок электронов или рентгеновского излучения. На позади облучаемого объекта находится приемник, на котором формируется интерферометрическая картина из электронов или фотонов.

Иллюстрация принципа многослойной птихографии. A — схема установки; B — пучок электронов (пунктирный прямоугольник показывает расположение образца); C — волновые функции отсканированных слоев (по 5 нанометров на слой); D — совмещенные картины нескольких слоев (верхний ряд) и одиночное (нижний ряд) результирующие изображения в зависимости от толщины образца (кружком выделены атомы празеодима, треугольником — скандия, квадратом — кислорода); E — фазы атомов на их местах в кристаллической решетке в зависимости от толщины образца / ©DOI: 10.1126/science.abg2533

Анализируя полученный сигнал компьютер восстанавливает положение отклонивших фотоны или электроны атомов. Несмотря на все усовершенствования, у метода еще есть некоторые существенные ограничения. Например, толщина исследуемого образца пока не превышает нескольких десятков нанометров. Чем она больше, тем мощнее необходим компьютер для анализа сигналов и восстановления картинки, а также тем сильнее шум и искажения на ней. Однако команда Мюллера не унывает и уже предполагает несколько способов дальнейшего улучшения технологии.

Для сравнения команда Мюллера «сфотографировала» изучаемый образец другими средствами. Например, на фото — результат изучения кристалла PrScO3 при помощи просвечивающего растрового электронного микроскопа (STEM) в разных режимах работы (A, B) и после преобразования сигналов на компьютере (C). Масштабная линейка равна половине нанометра / ©DOI: 10.1126/science.abg2533

В своем последнем эксперименте, где они подобрались к теоретическому лимиту птихографии, физики использовали пучок электронов, направленный под разными углами на тонкий кристалл PrScO3. На результирующих изображениях, которые получили ученые, отчетливо видна трехмерная структура перовскита, состоящего из атомов празеодима, скандия и кислорода. Для сравнения в работе приводится несколько наглядных примеров аналогичных исследований другими методами визуализации.

Как отмечает Мюллер, работа его коллег похожа на покупку новых очков после того, как ты всегда ходил с очень слабыми линзами. Ученым теперь не терпится использовать улучшенную птихографию на самых разных объектах — от полупроводниковых кристаллов (для поиска изъянов в них) до живых нейронов (для изучения протекающих в нервной ткани субмолекулярных процессов). Помимо расширения списка образцов, которые физики собираются поместить под новый «микроскоп», они думают и над расширением возможностей метода.

В первую очередь есть очевидный способ повысить разрешающую способность — взять образец из как можно более тяжелых атомов и охладить его до температуры близкой к абсолютному нулю. Но если между результатами 2018 года и нынешней работой разница в четкости картинки составляла почти два порядка, то охлаждение уже не даст такого прироста. Кроме того, можно использовать суперкомпьютеры и нейронные сети для ускорения обсчета получаемых приемником излучения данных. Последнее улучшение навряд ли повысит разрешение метода, зато позволит сканировать более крупные структуры.

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал