Nel 2018, I ricercatori della Cornell hanno costruito un rivelatore ad alta potenza che, in combinazione con un processo guidato da algoritmi chiamato tticografia, stabilito un record mondiale triplicando la risoluzione di un microscopio elettronico all'avanguardia.

Per quanto successo, quell'approccio aveva un punto debole. Funzionava solo con campioni ultrasottili dello spessore di pochi atomi. Qualsiasi cosa più spessa farebbe sì che gli elettroni si disperdano in modi che non possono essere districati.

Ora una squadra, guidato di nuovo da David Muller, il professore di ingegneria Samuel B. Eckert, ha superato di due volte il proprio record con un rilevatore di array di pixel al microscopio elettronico (EMPAD) che incorpora algoritmi di ricostruzione 3D ancora più sofisticati.

La risoluzione è così messa a punto, l'unica sfocatura che rimane è il tremolio termico degli atomi stessi.

La carta del gruppo, "La fotografia elettronica raggiunge i limiti di risoluzione atomica fissati dalle vibrazioni del reticolo, " pubblicato il 20 maggio in Scienza . L'autore principale del documento è il ricercatore post-dottorato Zhen Chen.

"Questo non ha solo stabilito un nuovo record, " Ha detto Muller. "Ha raggiunto un regime che sta per essere effettivamente un limite ultimo per la risoluzione. Fondamentalmente ora possiamo capire dove sono gli atomi in un modo molto semplice. Questo apre molte nuove possibilità di misurazione di cose che volevamo fare da molto tempo. Risolve anche un problema di vecchia data:annullare la dispersione multipla del raggio nel campione, che Hans Bethe ha esposto nel 1928, che ci ha impedito di farlo in passato."

La ptychography funziona scansionando modelli di dispersione sovrapposti da un campione di materiale e cercando cambiamenti nella regione di sovrapposizione.

"Stiamo inseguendo modelli di puntini che assomigliano molto a quei modelli di puntatori laser da cui i gatti sono ugualmente affascinati, " ha detto Muller. "Vedendo come cambia il modello, siamo in grado di calcolare la forma dell'oggetto che ha causato lo schema."

Il rilevatore è leggermente sfocato, offuscando il raggio, al fine di acquisire la più ampia gamma di dati possibile. Questi dati vengono poi ricostruiti tramite algoritmi complessi, ottenendo un'immagine ultraprecisa con precisione al picometro (un trilionesimo di metro).

"Con questi nuovi algoritmi, ora siamo in grado di correggere tutta la sfocatura del nostro microscopio al punto che il più grande fattore di sfocatura che ci rimane è il fatto che gli atomi stessi oscillano, perché è quello che succede agli atomi a temperatura finita, " ha detto Muller. "Quando si parla di temperatura, quello che stiamo effettivamente misurando è la velocità media di quanto gli atomi si muovono."

I ricercatori potrebbero forse superare di nuovo il loro record utilizzando un materiale costituito da atomi più pesanti, che traballano di meno, o raffreddando il campione. Ma anche a temperatura zero, gli atomi hanno ancora fluttuazioni quantistiche, quindi il miglioramento non sarebbe molto grande.

Quest'ultima forma di pticografia elettronica consentirà agli scienziati di localizzare singoli atomi in tutte e tre le dimensioni quando potrebbero essere altrimenti nascosti utilizzando altri metodi di imaging. I ricercatori saranno anche in grado di trovare atomi di impurità in configurazioni insolite e immaginarli e le loro vibrazioni, uno alla volta. Ciò potrebbe essere particolarmente utile nell'imaging di semiconduttori, catalizzatori e materiali quantistici, compresi quelli utilizzati nell'informatica quantistica, nonché per analizzare gli atomi ai confini in cui i materiali sono uniti tra loro.

Il metodo di imaging potrebbe essere applicato anche a cellule o tessuti biologici spessi, o anche le connessioni sinapsi nel cervello, ciò che Muller chiama "connettomica su richiesta".

Sebbene il metodo richieda tempo e calcoli complessi, potrebbe essere reso più efficiente con computer più potenti in combinazione con l'apprendimento automatico e rilevatori più veloci.

"Vogliamo applicare questo a tutto ciò che facciamo, " ha detto Muller, che co-dirige il Kavli Institute presso Cornell for Nanoscale Science e co-presiede la Task Force Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), parte dell'iniziativa di collaborazione radicale di Cornell. "Fino ad ora, abbiamo tutti portato degli occhiali davvero pessimi. E ora abbiamo davvero una bella coppia. Perché non vorresti toglierti i vecchi occhiali, metti quelli nuovi, e usarli sempre?"