Der Screenshot zeigt ein 100 Millionenfach vergrößertes Bild des PrScO3-Kristalls. Es wurde mit elektronischer Ptychographie gewonnen.
Im Jahr 2018 bauten Wissenschaftler aus Cornell ein leistungsstarkes Gerät, das zusammen mit einer Scan-Technik namens Ptychographie einen neuen Weltrekord aufstellte. Sie betrachteten Atome in einer höheren Auflösung als es die damals besten Elektronenmikroskope der Welt erlaubten.
Trotz des Erfolgs der Forscher gab es einen wichtigen Fehler in ihrem Ansatz. Ihre Technik funktionierte nur mit sehr dünnen Materialschichten (nicht mehr als ein paar Atome dick). Jede dickere Probe führte dazu, dass die Elektronen "gestreut" wurden und es unmöglich war, sie irgendwie zu analysieren.
Kürzlich hat ein Expertenteam unter der Leitung von David Muller seinen eigenen Rekord gebrochen. Sie hat einen noch fortschrittlicheren Mechanismus entwickelt, mit dem Sie Atome in noch höherer Auflösung betrachten können. Und so hoch, dass nur eine leichte Trübung im Bild verbleibt, die durch die "Temperatursprünge" der Atome selbst verursacht wird.
Die Arbeit der Forscher mit dem Titel Elektronenptychographie erreicht atomare Auflösungsgrenzen, die durch Gittervibrationen festgelegt wurden, wurde am 20. Mai in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
„Dies ist nicht nur ein neuer Weltrekord“, sagt Müller. - Bereits jetzt können wir die Atome ruhig untersuchen und ihre Position identifizieren. Dies eröffnet viele neue Techniken zum Messen von Daten. Was wir im Laufe der Jahre erreichen wollten. Unsere Entdeckung löst auch die Probleme bei der Untersuchung von Geweben, die aus einer großen Anzahl von Atomschichten bestehen. "
Mit der neuen Forschungsmethode konnten Wissenschaftler einzelne Materialschichten einzeln untersuchen. Hierzu wird die Computerverarbeitung einer Vielzahl von Bildern verwendet, die durch Streuen von Licht von der untersuchten Probe erhalten werden.
„Wir beobachten einzelne sich bewegende Partikel, die unser Gerät erkennt, wie Katzen ein Licht von einem Laserpointer aus beobachten“, sagt Müller. „Indem wir das Verhalten bewegter Partikel im Bereich der Schichtung von Interferenzmustern verfolgen, können wir mithilfe eines Computers berechnen, wie die untersuchte Probe auf atomarer Ebene aussieht.“
Die resultierenden Daten werden mithilfe ausgefeilter Algorithmen neu erstellt, mit denen Sie letztendlich ein Bild mit einer Auflösung von Pikometern (einem Billionstel Meter) erstellen können.
„Mit solchen Algorithmen können wir fast alle Ursachen beseitigen, die in der Vergangenheit zu unscharfen Bildern geführt haben. Das einzige, was das Bild noch ein wenig trübt, ist die Beweglichkeit der Atome aufgrund von Temperaturänderungen, sagt Müller. "Wenn wir über Temperatur sprechen, sprechen wir tatsächlich darüber, wie stark die Atome zittern."
Forscher können ihren eigenen Rekord wieder brechen, wenn sie mit Material mit schwereren Atomen experimentieren (sie sind weniger beweglich) oder eine funktionierende experimentelle Probe kühlen. Aber selbst bei einer Temperatur von Null bewegen sich die Atome, sodass eine signifikante Verbesserung der Bildqualität nicht funktioniert.
Mithilfe der elektronischen Ptychographie können Wissenschaftler einzelne Atome in drei statt in zwei Dimensionen verfolgen, wie dies in der Vergangenheit der Fall war. Es wird auch möglich sein, Verunreinigungen zu verfolgen, die mit klassischen Mikroskopen nicht nachgewiesen werden können. Dies ist besonders nützlich, wenn mit Halbleitern, Katalysatoren und Quantenmaterialien gearbeitet wird, einschließlich solcher, die zur Herstellung von Quantencomputern verwendet werden, sowie wenn Atome an den Grenzen der Verbindung verschiedener Materialien untersucht werden. Darüber hinaus kann eine ähnliche Forschungsmethode verwendet werden, um Zellen, biologische Gewebe und sogar Synapsen im Gehirn zu untersuchen.
Bisher ist es kostspielig, die Entwicklungen von Müller und seinen Kollegen zu nutzen. Es braucht viel Zeit und einen sehr leistungsfähigen Computer, um alle Daten zu analysieren und ein klares Bild mit einer so hohen Auflösung zu erstellen. Die Forscher hoffen jedoch, die Methode mit leistungsfähigeren Computern und maschinellen Lernsystemen zugänglicher zu machen.
„Es war, als hätten wir die ganze Zeit eine sehr schlechte Brille getragen“, sagt Müller. "Und jetzt, wie zum ersten Mal, bekamen wir ein Paar mit hochwertigen Dioptrien."
