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史上分辨率最高的原子图像,是如何诞生的?
来源:环球科学
发布日期:2021年09月17日 09时45分48秒

  撰文 | 安娜·布劳斯坦(Anna Blaustein)

  翻译 | 巢栩嘉

  请看这张史上分辨率最高的原子图像。为了成功拍摄它,美国康奈尔大学的研究人员需要捕获一个三维的晶体样本,再将其放大1亿倍。相比于他们在2018年创造的吉尼斯世界纪录,这次的分辨率又提高了一倍以上。这种捕捉图像的方式可以帮助科学家研发新型材料,从而设计更强大、更高效的手机、电脑等电子产品,甚至研发续航时间更长的电池。

  为了获取这张图像,研究人员使用了一种被称为电子叠层成像(electron ptychography)的技术。首先,他们需要向目标样本发射每秒约10亿个电子的电子束,电子束在发射时还会发生微小的移动,好让电子以略微不同的角度撞击样本。电子有时会干净利落地从原子间穿过,有时会与原子发生碰撞并在内部反弹直到穿过样本。美国康奈尔大学的物理学家戴维·马勒(David Muller)将这种技术比作在黑暗中玩躲避球:电子是躲避球,投掷的目标就是单个的原子。虽然马勒不能直接看到目标,但他可以探测到躲避球的最终位置。根据数十亿电子撞击探测器产生的斑点图案,机器学习算法可以计算出原子在样品中的位置以及可能的形状,从而输出最终的图像。

  此前,电子叠层成像技术只能用于厚度仅有一个或几个原子的扁平样本。但是马勒和同事在《科学》(Science)杂志上发表的研究提出,可以对厚度为几十到几百个原子的多层样品进行成像。这样的突破使电子叠层成像技术更对材料学家的胃口,因为他们经常需要研究厚度为30~50纳米的材料。要知道,这个厚度比人的指甲在一分钟内生长的长度还要短,却比过去电子叠层成像技术能探测的厚度要大很多倍。英国谢菲尔德大学的工程师安德鲁·梅登(Andrew Maiden,参与了电子叠层成像技术的研发,但并未参与这项研究)说:“现在已经能观察原子堆了,这非常厉害,而且分辨率高得惊人。”

  这项研究标志着电子显微镜领域又取得了一项重要的进展。常规电子显微镜发明于20世纪30年代初,它让使用者可以看到比可见光波长还要短的物体(比如脊髓灰质炎病毒)。但是电子显微镜依然有它的局限性:要提高分辨率只能通过增加电子束的能量,这会使能量累加得过高,以至于损坏样本。

  叠层成像法是避开这个问题的一种方法,它仅记录电子散射后的图案,而不直接用电子成像。早在20世纪60年代就有科学家提出了相关理论,但是由于需要解决复杂的数学问题,还需要面对计算能力和探测器的限制,所以在过去几十年中,这种方法都没有投入实际应用。在一些早期的版本中,科学家只能使用可见光和X射线,而没有使用对原子级物体成像所需的电子束。与此同时,科学家也在不断改进电子显微镜。马勒说:“你必须坚定地相信叠层成像,才会一直关注它。”

  就在过去几年里,马勒团队开发出一种探测器,性能足以让电子叠层技术完成成像。2018年,他们已经掌握了使用电子叠层成像重建二维样本的技术,并且输出了当时马勒所说的“世界最高分辨率的图像”(在当年一举夺得吉尼斯世界纪录)。他们使用了比其他成像方法更低能量的波长,以便更好地保存成像结果。

  接下来需要挑战的是更厚的样本。在这种情况下,电子波在抵达探测器前会被许多原子弹开,这就是所谓的多重散射问题。研究人员发现,只要有足够多的重叠斑点图案和足够强大的计算能力(根据马勒说法,相当于“蛮力和无知”),就可以反向推算哪种原子分布可以产生这种特定的图案。为此,他们对机器学习模型做了优化,使算法生成的图像与实验实际产生的图像相匹配。

  这种高分辨率成像技术对于下一代电子设备的开发至关重要。比如,许多研究人员正在寻找硅基芯片以外更高效的半导体。为了实现这个目标,工程师需要了解材料在原子层面上的工作原理,而这意味着他们需要使用电子叠层成像等技术。美国佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院院长默里·吉布森(Murray Gibson,并未参与这项研究)说:“我们已经拥有这些基础技术了,它们正在那里等着我们去做进一步的优化,这样才能诞生下一代设备。”

  美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家罗杰·法尔科内(Roger Falcone,并未参与这项研究)表示,在电池领域就特别适合应用像电子叠层成像这样的技术。因为在从化石燃料向可再生能源(包括风能和太阳能)转变的过程中,制造出可以安全储存庞大能量的电池显得至关重要。法尔科内说:“成像技术对电池的改进非常重要,因为我们可以借此仔细观察相关的化学反应。”

  但这个领域还有很长的路要走。要让电子叠层成像技术为手机或电脑带来突破,必须做到精确定位材料中的单个原子,而不仅仅是重建一幅图像。尽管科学家在理论上阐述了如何用新方法做到这一点,但还没有得到实验验证。IBM公司的材料表征专家莱斯利·汤普森(Leslie Thompson,并未参与这项研究)说:“对于任何新技术,总需要一些时间来让广大的研究人员尝试,看看它是否真的可以用于实践。”

  法尔科内说:“当你发明了像高分辨率显微镜这样的新工具时,你可能会惊讶于它到底能解决什么问题。人们可能会用它来研究一些我们现在无法想象的对象,解决一些我们现在还不确定是否存在的问题。”