La microscopia elettronica ha permesso agli scienziati di vedere singoli atomi, ma anche a quella risoluzione non tutto è chiaro.

Le lenti dei microscopi elettronici hanno imperfezioni intrinseche note come aberrazioni, e speciali correttori di aberrazione - "come gli occhiali per il microscopio, "ha detto David Muller, il Samuel B. Eckert Professor of Engineering nel Department of Applied and Engineering Physics (AEP) – sono stati sviluppati negli anni per correggere questi difetti.

I correttori di aberrazione vanno solo così lontano, però, e per correggere più aberrazioni, hai bisogno di un collettore in continua espansione di elementi correttori. È come mettere gli occhiali sugli occhiali sugli occhiali:diventa un po' ingombrante.

Muller – insieme a Sol Gruner, il professore di fisica John L. Wetherill, e Veit Elser, professore di fisica - hanno sviluppato un metodo per ottenere una risoluzione ultra elevata senza la necessità di "lenti correttive" per il loro microscopio.

Hanno impiegato il loro rivelatore di array di pixel al microscopio elettronico sviluppato da Cornell (EMPAD), che è stato introdotto nel marzo 2017. Con esso hanno raggiunto ciò che Muller, co-direttore del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, detto è un record mondiale per la risoluzione delle immagini, in questo caso utilizzando il bisolfuro di molibdeno (MoS2) monostrato (spessore un atomo).

Il loro successo è riportato in "Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution, " in uscita il 19 luglio in Natura . Gli autori principali erano Yi Jiang, dottorato di ricerca '18 (fisica) e Zhen Chen, ricercatore post-dottorato nel Gruppo Muller.

Le lunghezze d'onda degli elettroni sono molte volte inferiori a quelle della luce visibile, ma le lenti del microscopio elettronico non sono commisuratamente precise.

Tipicamente, Muller ha detto, la risoluzione di un microscopio elettronico dipende in gran parte dall'apertura numerica dell'obiettivo. In una fotocamera di base, l'apertura numerica è il reciproco del "numero f" - più piccolo è il numero, migliore è la risoluzione.

In una buona macchina fotografica, il numero f più basso o "f-stop" potrebbe essere leggermente inferiore a 2, ma "un microscopio elettronico ha un numero f di circa 100, " ha detto Muller. I correttori di aberrazione possono portare quel numero a circa 40, ha detto - ancora non eccezionale.

La risoluzione dell'immagine nella microscopia elettronica è stata tradizionalmente migliorata aumentando sia l'apertura numerica dell'obiettivo che l'energia del fascio di elettroni, che fa per il microscopio ciò che la luce fa per una macchina fotografica o un microscopio ottico:illumina il soggetto.

I record precedenti per la risoluzione sono stati ottenuti con una lente con correzione dell'aberrazione e un'energia del fascio super-alto – 300 kiloelettronvolt (keV) – per ottenere una risoluzione sub-ångström. I legami atomici sono generalmente tra 1 e 2 ångströms (Å) lunghi – un ångström è 0,1 nanometri – quindi la risoluzione sub-ångström consentirebbe di vedere facilmente i singoli atomi. Il gruppo Muller è stato in grado di raggiungere una risoluzione di 0,39 Å – un nuovo record mondiale – e ad un livello inferiore, energia del raggio meno dannosa in cui la risoluzione delle sole lenti con correzione dell'aberrazione era di 0,98 .

Il gruppo di Muller ha utilizzato l'EMPAD e una tecnica nota come tticografia:mentre il fascio di elettroni scansiona il campione, il rivelatore raccoglie sia la posizione piena che la distribuzione del momento degli elettroni dispersi in passaggi sovrapposti. L'immagine viene ricostruita dal set di dati quadridimensionale risultante.

Il gruppo ha utilizzato un'energia del raggio di soli 80 keV per non distruggere il MoS2. Nonostante l'energia anabbagliante, la risoluzione utilizzando EMPAD è così buona, il microscopio è in grado di rilevare con sorprendente chiarezza un atomo di zolfo mancante - "un difetto nel reticolo, " ha detto Gruner - in un materiale 2-D. "Questo è sbalorditivo per me, " Egli ha detto.

Con una capacità di risoluzione inferiore al più piccolo legame atomico, era necessario un nuovo oggetto di prova per il metodo EMPAD. Yimo Han, Dottorato '18, e Pratiti Deb '16, dal gruppo di Muller, impilati due fogli di MoS2, un foglio leggermente storto, in modo che gli atomi dei due fogli fossero visibili a distanze che andavano da una lunghezza di legame completa a quella che giaceva uno sopra l'altro. "Essenzialmente è il sovrano più piccolo del mondo, " ha detto Gruner.

L'EMPAD, che è stato adattato su microscopi in tutto il campus, può registrare un'ampia gamma di intensità, dal rilevamento di un singolo elettrone a fasci intensi contenenti centinaia di migliaia o addirittura un milione di elettroni.

"L'analogia che mi piace usare è, una macchina ti sta venendo addosso di notte, " disse Gruner. "E tu stai guardando le luci che vengono verso di te, e sei in grado di leggere la targa tra di loro senza essere accecato."