• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
23.05.2021
Василий Парфенов
11 584

Физики смогли «сфотографировать» отдельные атомы в рекордном разрешении

3.7

Международная команда ученых 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.

Физики смогли «сфотографировать» отдельные атомы в рекордном разрешении
Отдельные атомы в кристаллической решетке PrScO3, имеющей структуру перовскита / ©Cornell University

Достигшая пределов разрешающей способности современных методов измерения группа ученых 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. Позади облучаемого объекта находится приемник, на котором формируется интерферометрическая картина из электронов или фотонов.

Физики смогли «сфотографировать» отдельные атомы в рекордном разрешении
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.

Физики смогли «сфотографировать» отдельные атомы в рекордном разрешении
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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
9 часов назад
Александр Березин

Скорее всего, это первое полноценное использование принципиально нового истребителя по его прямому назначению.

23 мая
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

23 мая
Михаил Орлов

В контексте изменений климата обычно говорят о таянии ледников, однако ученые отмечают, что некоторые крупные скопления льда на Антарктическом полуострове за последние 20 лет заметно выросли. Причиной могут быть изменения атмосферной циркуляции и перераспределение массы антарктических льдов ближе к берегу.

23 мая
РНФ

Группа ученых из России и Германии математически описала ситуацию, когда происходит самоостановка света — явление, при котором скорость световых импульсов падает в миллионы раз, вплоть до нуля. Оказалось, что в определенных условиях излучение в резонансно поглощающей среде создает для себя «потенциальную яму», из которой затем не может выйти. Это происходит за счет обволакивания материей безмассовых фотонов, и в результате они могут остановиться.

20 мая
Мария Азарова

Ученые предупреждают: поскольку вес современных комбайнов и прочей сельхозтехники сегодня приближается к весу самых крупных животных, когда-либо бродивших по Земле, возникает парадокс уплотнения грунта.

9 часов назад
Александр Березин

Скорее всего, это первое полноценное использование принципиально нового истребителя по его прямому назначению.

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

28 апреля
Мария Азарова

Авторы нового исследования составили таблицу ожидаемой продолжительностью жизни для собак 18 чистокровных пород и метисов. Кроме того, они узнали, кто живет дольше — суки или кобели, кастрированные или нет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: