I progressi nella microscopia elettronica, che utilizzano gli elettroni come strumenti di imaging per vedere cose ben oltre la portata dei microscopi convenzionali che utilizzano la luce, hanno aperto una nuova finestra sul mondo della nanoscala e hanno messo a fuoco un'ampia gamma di campioni come mai prima d'ora.

Gli esperimenti di microscopia elettronica possono utilizzare solo una frazione delle possibili informazioni generate mentre il fascio di elettroni del microscopio interagisce con i campioni. Ora, un team del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha progettato un nuovo tipo di rivelatore di elettroni che cattura tutte le informazioni in queste interazioni.

Questo nuovo strumento, un rivelatore superveloce installato il 12 febbraio presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, una struttura per utenti scientifici su nanoscala, cattura più immagini a una velocità maggiore, rivelando dettagli su scala atomica su aree molto più grandi di quanto fosse possibile prima. La Molecular Foundry e i suoi microscopi elettronici di livello mondiale nel National Center for Electron Microscopy (NCEM) forniscono accesso ai ricercatori di tutto il mondo.

L'imaging più veloce può anche rivelare importanti cambiamenti che i campioni stanno subendo e fornire filmati rispetto a istantanee isolate. Potrebbe, Per esempio, aiutare gli scienziati a esplorare meglio la batteria funzionante e i componenti del microchip su scala atomica prima dell'inizio del danno.

Il rivelatore, che ha una connessione diretta speciale al supercomputer Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del laboratorio, consentirà agli scienziati di registrare immagini su scala atomica con tempi misurati in microsecondi, o milionesimi di secondo – 60 volte più veloce di quanto possibile con i rilevatori esistenti.

"È il rivelatore di elettroni più veloce mai realizzato, " disse Andrea Minore, Direttore della struttura NCEM presso la Fonderia Molecolare.

"Apre un nuovo regime temporale da esplorare con la microscopia ad alta risoluzione. Nessuno ha mai ripreso filmati continui a questa risoluzione temporale" utilizzando l'imaging elettronico, Egli ha detto. "Cosa succede lì? Ci sono tutti i tipi di dinamiche che potrebbero accadere. Semplicemente non lo sappiamo perché non siamo mai stati in grado di guardarle prima." I nuovi film potrebbero rivelare minuscole deformazioni e movimenti nei materiali, Per esempio, e mostra la chimica in azione.

Lo sviluppo del nuovo rivelatore, nota come "fotocamera 4-D" (per il rivelatore diretto di diffrazione dinamica), è l'ultima di una serie di innovazioni pionieristiche nella microscopia elettronica, imaging su scala atomica, e trasferimento dati e calcolo ad alta velocità presso il Berkeley Lab che abbracciano diversi decenni.

"Il nostro gruppo sta lavorando da tempo per realizzare rivelatori migliori per la microscopia, " disse Peter Denes, uno scienziato senior del Berkeley Lab e un pioniere di lunga data nello sviluppo di strumenti di microscopia elettronica.

"Ottieni un intero schema di dispersione invece di un solo punto, e puoi tornare indietro e rianalizzare i dati per trovare cose su cui forse non ti eri concentrato prima, " ha detto Denes. Questo produce rapidamente un'immagine completa di un campione scansionandolo con un raggio di elettroni e acquisendo informazioni basate sugli elettroni che si disperdono dal campione.

Maria Scotti, uno scienziato di facoltà presso la Molecular Foundry, detto che la geometria unica del nuovo rivelatore consente studi di elementi leggeri e pesanti in materiali fianco a fianco. "Il motivo per cui potresti voler eseguire uno di questi esperimenti più complicati sarebbe misurare le posizioni degli elementi luminosi, in particolare in materiali che potrebbero essere molto sensibili al fascio di elettroni - come il litio in un materiale di batteria - e idealmente saresti in grado di misurare con precisione anche le posizioni di elementi pesanti in quello stesso materiale, " lei disse.

Il nuovo rivelatore è stato installato sul microscopio correttore per aberrazione elettronica a trasmissione 0.5 (TEAM 0.5) presso la Molecular Foundry, che ha stabilito record di alta risoluzione quando è stato lanciato all'NCEM un decennio fa e consente ai ricercatori in visita di accedere alla risoluzione di un singolo atomo per alcuni campioni. Il rilevatore genererà ben 4 terabyte di dati al minuto.

"La quantità di dati equivale a guardare circa 60, 000 filmati HD contemporaneamente, " disse Pietro Ercio, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry specializzato in imaging 3D su scala atomica.

Brent Draney, un architetto di reti presso il NERSC di Berkeley Lab, ha detto che Ercius e Denes si erano rivolti alla NERSC per vedere cosa sarebbe servito per costruire un sistema in grado di gestire questo enorme, Flusso di dati da 400 gigabit prodotto dalla fotocamera 4-D.

La sua risposta:"In realtà abbiamo già un sistema in grado di farlo. Quello di cui avevamo veramente bisogno è costruire una rete tra il microscopio e il supercomputer".

I dati della telecamera vengono trasferiti su circa 100 connessioni in fibra ottica in una connessione Ethernet ad alta velocità che è di circa 1, 000 volte più veloce della rete domestica media, ha detto Ian Johnson, uno scienziato del personale nella divisione di ingegneria del Berkeley Lab. La rete collega la Fonderia al supercomputer Cori al NERSC.

Rete di scienze energetiche del Berkeley Lab (ESnet), che collega centri di ricerca con reti dati ad alta velocità, partecipato allo sforzo.

Ercius ha detto, "Il supercomputer analizzerà i dati in circa 20 secondi al fine di fornire un rapido feedback agli scienziati al microscopio per dire se l'esperimento ha avuto successo o meno".

Jim Ciston, un altro scienziato dello staff della Fonderia Molecolare, disse, "In realtà cattureremo ogni elettrone che passa attraverso il campione mentre viene disperso. Attraverso questo set di dati davvero grande saremo in grado di eseguire esperimenti "virtuali" sul campione - non dovremo tornare indietro e prendere nuovi dati da diverse condizioni di imaging."

Il lavoro sul nuovo rilevatore e sui suoi sistemi di dati di supporto dovrebbe avvantaggiare altre strutture che producono elevati volumi di dati, come l'Advanced Light Source e il suo aggiornamento pianificato, e il progetto LCLS-II presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, Ciston ha notato.

La sorgente di luce avanzata, ESnet, Fonderia Molecolare, e NERSC sono DOE Office of Science User Facilities.

Lo sviluppo della fotocamera 4-D è stato sostenuto dal programma di ricerca su acceleratori e rivelatori dell'Ufficio di scienze energetiche di base del Dipartimento di energia, e il lavoro presso la Molecular Foundry è stato supportato dall'Office of Basic Energy Sciences del DOE.