原子观测分辨率提高两个数量级

仙仙

据物理学家组织网近日报道，美国科学家用电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD）与更复杂的三维重建算法相结合，将原子观测的分辨率提高了2个数量级并创下新纪录。借助新技术，科学家可以在三维空间中定位单个原子，这对于观察半导体、催化剂和量子材料来说非常重要，且有望应用于生物医学领域。


2018年，康奈尔大学的大卫·穆勒等人研制了一款高性能探测器，将当时最先进的电子显微镜的分辨率提高了3倍，创下当时最高纪录。尽管这种方法很成功，但它只适用于仅几个原子厚的超薄样品。


有鉴于此，康奈尔大学团队用EMPAD结合更复杂的算法再次打破了自己的纪录，主要研究人员为该校博士后陈震（音译）。相关论文发表于最新一期的《科学》杂志上。


穆勒指出，借助新算法，他们能纠正显微镜所有的模糊，将精度提升2个数量级，达到皮米（万亿分之一米）级精度。


穆勒表示，最新研究创造了新纪录，实际上已成为目前有效观测的分辨率的上限。现在，他们基本上可以用一种非常简单的方法找出原子的位置，这让以前很多无法测量的事物变得可以测量。


研究人员可以通过使用由较重原子组成的材料或通过冷却样品，再次刷新他们的纪录。但即使在零摄氏度以下，原子仍有量子涨落，因此，精度的改善空间并不大。


陈震等人表示，新技术将使科学家能在三维空间中定位单个原子，还能帮助他们找到特殊结构中的杂质原子，并对这些原子及其振动逐一成像，这对于给半导体、催化剂和量子材料（包括量子计算中使用的材料）成像特别有用。新方法还能给较厚的生物细胞或组织，甚至大脑内突触之间的连接成像。而且，虽然该方法耗时且计算量大，但采用功能更强大的计算机，并与机器学习和效率更快的探测器相结合，可以提高效率。（记者刘霞）