Investigadors de Cornell veuen els àtoms a una resolució rècord

El 2018, els investigadors de Cornell van construir un detector d’alta potència que, en combinació amb un procés basat en l’algoritme anomenat pticografia, va establir un  rècord mundial triplicant la resolució d’un microscopi electrònic d’última generació.

Tot i que va tenir èxit, aquest enfocament tenia una debilitat. Només funcionava amb mostres ultrafines de pocs àtoms de gruix. Qualsevol cosa més gruixuda faria que els electrons es dispersessin de manera que no es poguessin desenredar.

Ara un equip, liderat de nou per David Muller, el professor d’Enginyeria de Samuel B. Eckert, ha superat el seu propi registre per un factor de dos amb un detector de píxels de microscopi electrònic (EMPAD) que incorpora algoritmes de reconstrucció 3D encara més sofisticats. La resolució està tan afinada, que l’única difuminació que queda és la tremolor tèrmica dels propis àtoms.

Clic per engrandir. Aquesta imatge mostra una reconstrucció pticogràfica dels
electrons d’un cristall de praseodimi ortoscandat (PrScO3), ampliat 100 milions
de vegades. Crèdit: Cornell University

L'article del grup; "Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations", va ser publicat el 20 de maig a Science. L’autor principal del document és l’investigador postdoctoral Zhen Chen.

"Això no només marca un nou rècord", va dir Muller. “S'ha arribat a un règim que serà efectivament un límit final de resolució. Bàsicament ara podem esbrinar on es troben els àtoms d’una manera molt senzilla. Això obre un munt de noves possibilitats de mesura de les coses que volem fer durant molt de temps. També resol un problema de llarga durada: desfer la dispersió múltiple del feix a la mostra, que Hans Bethe va establir el 1928, i que ens ha impedit fer-ho en el passat".

La pticografia funciona escanejant patrons de dispersió superposats d'una mostra de material i buscant canvis a la regió superposada.

"Estem perseguint patrons clars que s'assemblen molt als patrons de punter làser pels quals els gats estan igualment fascinats", va dir Muller. "En veure com canvia el patró, podem calcular la forma de l'objecte que ha provocat el patró".

El detector està lleugerament desenfocat, desdibuixant el feix, per tal de captar el màxim rang de dades possible. Aquestes dades es reconstrueixen a través d’algoritmes complexos, donant lloc a una imatge ultra precisa amb un picòmetre (un bilionèsima part d'un metre) de precisió.

“Amb aquests nous algoritmes, ara podem corregir tota la difuminació del nostre microscopi fins al punt que el factor de difuminació més gran que ens queda és el fet que els mateixos àtoms estan tremolant, perquè això és el que passa amb els àtoms a temperatura finita", va dir Muller. "Quan parlem de temperatura, el que realment mesurem és la velocitat mitjana a la que es sacsegen els àtoms". 

Els investigadors podrien tornar a superar el seu registre utilitzant un material que consisteix en àtoms més pesats, que oscil·len menys o refredant la mostra. Però fins i tot a temperatura zero, els àtoms encara tenen fluctuacions quàntiques, de manera que la millora no seria gaire gran.

Aquesta última forma de pticografia d’electrons permetrà als científics localitzar àtoms individuals en les tres dimensions quan es puguin ocultar d’altres maneres mitjançant altres mètodes d’imatge. Els investigadors també podran trobar àtoms d’impuresa en configuracions inusuals i obtenir imatges d'ells i de les seves vibracions, d’un en un. Això podria resultar particularment útil en la creació d’imatges de semiconductors, catalitzadors i materials quàntics, inclosos els que s’utilitzen en informàtica quàntica, així com en l’anàlisi d’àtoms en els límits on s’uneixen els materials.

El mètode d'imatge també es podria aplicar a cèl·lules o teixits biològics gruixuts, o fins i tot a les connexions de sinapsis al cervell, el que Muller coneix com a "connectòmica sota demanda".

Tot i que el mètode requereix molt de temps i requereix computació, es podria fer més eficient amb ordinadors més potents juntament amb l’aprenentatge automàtic i detectors més ràpids. 

Clic per engrandir. El projecte Human Connectome te com a objectiu proporcionar
una compilació sense precedents de dades neurals, una interfície per a navegar
gràficament aquestes dades i la oportunitat d'arribar a conclusions mai
fetes abans sobre el cervell humà viu. Crèdit: University of Southern California.

"Volem aplicar això a tot el que fem", va dir Muller, que co-dirigeix  l'Institut Kavli de Cornell per a ciències a escala nanomètrica  i co-presideix el Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, que forma part de la iniciativa de col·laboració radical de Cornell. “Fins ara portàvem unes ulleres molt dolentes. I ara en tenim un parell molt bo. Per què no us voldríeu treure les ulleres velles, posar-vos les noves i utilitzar-les tot el temps?"

Entre els seus coautors hi ha Darrell Schlom, el professor de química industrial Herbert Fisk Johnson; Yi Jiang, i ara científic de dades de línia de feix al laboratori nacional d'Aronne; investigadors postdoctorals Yu-Tsun Shao i Megan Holtz i investigadors de l’Institut Paul Scherrer i de l’Institut Leibniz per al Creixement del Cristall.

La investigació va comptar amb el suport de la National Science Foundation a través de la Plataforma de Cornell per a la realització accelerada, l’anàlisi i el descobriment de materials d’interfície (PARADIM). Els investigadors també van fer ús del Cornell Center for Materials Research, que compta amb el suport del programa Materials Research Science and Engineering Center de la NSF.

Ho he vist aquí.