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电子显微镜用新算法可以看到新的“隐藏世界”!


【概要描述】康乃尔大学工程师团队开发了一种新技术,强大到将当今先进电子显微镜的分辨率再提高2倍,可在三个维度下直接观察单个原子并得到清晰图像,模糊的原因仅来自原子自身运动。该技术对于成像半导体、催化剂等材料连接边界处的原子将特别有用。  用电子显微技术重建了原钪酸镨(PrScO3)晶体,放大了1亿倍。  现在已经有越来越多的智能手机或望远镜都配备有高分辨率相机,可以放大到甚至让你看见月球的表面,然而这些都无法与康乃尔大学工程学教授DavidMuller团队所研发的电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)相提并论。  2018年的时候,团队制造了这款高性能显微镜EMPAD并结合ptychography算法,直接让电子显微镜的分辨率提高3倍拿下金氏世界纪录,可测量至0.039纳米。当时的研究人员之一SolGruner开玩笑说,他总以为要在5分钟内吃掉40个汉堡、或是靠一只脚连续站立几天才能进入金氏世界纪录,没想到是借着看到几个原子拿到了入场门票。    物理学教授左索尔·格伦纳(SolGruner)和应用工程物理教授和工程物理教授大卫·穆勒(DavidMuller)  现在,该团队结合一种更复杂的3D重建算法并扫描PrScO3(praseodymiumorthoscandate)晶体,将电子显微镜分辨率的世界纪录再提高2倍,精度高到可以看见单个原子和分子中的化学键,造成模糊的原因只剩下原子晶格自身热振动。  过去任何尝试对单个原子进行成像的实验多半拿出的是模糊图像,就像戴着一副不合度数的眼镜看世界,但现在团队技术已然准确到可在三个维度上定位单个原子,还能检测样品中的杂质,以及对它们及其振动进行成像。对于行业来说,这在评估用于量子计算机的半导体,催化剂和敏感的量子材料的质量时特别有用。  此外,当年团队只能成像仅几个原子厚的极薄材料样品,但新技术可成像更厚材料样品(虽然再厚下去的话还是会失败,因电子以无解的方式散射),除了对半导体、催化剂等材料连接边界处的原子成像有所帮助外,也能改善当今医学成像,拍出更清晰的较厚生物组织、大脑突触连接等。  虽然要得到这种高精度图像的过程依然相当耗时,但可以使用功能更强大的电脑并结合新的计算方法来提高效率。

  康乃尔大学工程师团队开发了一种新技术,强大到将当今先进电子显微镜的分辨率再提高2 倍,可在三个维度下直接观察单个原子并得到清晰图像,模糊的原因仅来自原子自身运动。 该技术对于成像半导体、催化剂等材料连接边界处的原子将特别有用。

  用电子显微技术重建了原钪酸镨(PrScO3)晶体,放大了1亿倍。

  现在已经有越来越多的智能手机或望远镜都配备有高分辨率相机,可以放大到甚至让你看见月球的表面,然而这些都无法与康乃尔大学工程学教授David Muller团队所研发的电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)相提并论。

  2018年的时候,团队制造了这款高性能显微镜EMPAD并结合ptychography算法,直接让电子显微镜的分辨率提高3倍拿下金氏世界纪录,可测量至0.039纳米。 当时的研究人员之一Sol Gruner开玩笑说,他总以为要在5分钟内吃掉40个汉堡、或是靠一只脚连续站立几天才能进入金氏世界纪录,没想到是借着看到几个原子拿到了入场门票。

 

 

  物理学教授左索尔·格伦纳(Sol Gruner)和应用工程物理教授和工程物理教授大卫·穆勒(David Muller)

  现在,该团队结合一种更复杂的3D重建算法并扫描PrScO3(praseodymium orthoscandate)晶体,将电子显微镜分辨率的世界纪录再提高2倍,精度高到可以看见单个原子和分子中的化学键,造成模糊的原因只剩下原子晶格自身热振动。

  过去任何尝试对单个原子进行成像的实验多半拿出的是模糊图像,就像戴着一副不合度数的眼镜看世界,但现在团队技术已然准确到可在三个维度上定位单个原子,还能检测样品中的杂质,以及对它们及其振动进行成像。 对于行业来说,这在评估用于量子计算机的半导体,催化剂和敏感的量子材料的质量时特别有用。

  此外,当年团队只能成像仅几个原子厚的极薄材料样品,但新技术可成像更厚材料样品(虽然再厚下去的话还是会失败,因电子以无解的方式散射),除了对半导体、催化剂等材料连接边界处的原子成像有所帮助外,也能改善当今医学成像,拍出更清晰的较厚生物组织、大脑突触连接等。

  虽然要得到这种高精度图像的过程依然相当耗时,但可以使用功能更强大的电脑并结合新的计算方法来提高效率。

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