細節前所未有豐富的原子照相技術

類別: 新奇
majer@ 2018.08.07 , 16:00
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細節前所未有豐富的原子照相技術

近半個世紀以來,我們已經能用電子顯微鏡拍攝到單個原子,但是還從未得到過如此規模的影象。

一種新方法可以捕捉和測量電子束的噴射,為我們提供了一個全新的視角窺探亞原子的世界,也為分子結構的研究領域開闢了新的道路。

去年,美國康奈爾大學的工程師為傳統的電子顯微鏡進行了“眼科手術”,相當於矯正了電子顯微鏡的近視,並提升了收集和測量光線的方式。

現在我們以前所未有的清晰度測量了原子之間的化學鍵。

從根本上講,所有的顯微鏡都以一種大同小異的方式進行工作——一列波動經過測量物體,波動的能量被物體收集和反射,我們接收到這些能量,藉此判斷出物體的形態。波長越小意味著細節越豐富。

電子可以表現出相當輕微的波動特性,具體取決於它們所包含的能量,這使它們非常適合用來當做觀察小物體的工具。電子顯微鏡不使用鏡頭聚焦光線/電磁波,而是使用電磁場。

場中的像差限制了我們可以看到的物體的大小,就像鏡頭中的色差使影象模糊一樣。工程師的通常手段是為電子顯微鏡佩戴一副“眼鏡”,並新增校正裝置來“修復”圖片。

但是,這種修復手段目前已經達到了潛力的極限。多樣像差需要大量的額外裝置,從理論上講,它們可以讓工程師在噩夢中哭喊著醒來。

最新的技術,採用了一種被稱為電子顯微映象素陣列檢測器(EMPAD)的裝置,它採用另一種方法消除了對“眼鏡”的依賴。它就像是微觀世界裡棒球捕手的電子手套,由128×128電子高敏畫素陣列組成,捕捉反射回來的電子。

它不是根據電子的位置來構建影象,而是檢測每個電子反射的角度。

使用通常應用於X射線顯微鏡技術的傅立葉疊層成像(ptychography),可以構建一張四維地圖,不僅掌握電子來自何處,還能測量出它們的動量。

該團隊在兩組堆疊的二硫化鉬片狀結構上測試EMPAD和ptychography的結合技術,每個片層只有一個原子的厚度。

細節前所未有豐富的原子照相技術
兩層二硫化鉬片狀結構的顯微影象,康奈爾大學

晶格(如上圖所示)非常清晰,他們甚至發現少了一個硫原子。

除了用來吹噓,該技術還展現了巨大的優勢。

能量越高意味著波長越短。最先進的顯微鏡可以發射出300千電子伏特的電子流,可以分辨出0.05奈米以下的細節。

但是,更多的能量也會把電子噴嘴從溫和的水槍變成危險的機槍,可能會擊毀被觀測分子。

而新的技術只需要較低能量水平的電子流——溫和的80 keV能量的電子流還不足以破壞二硫化鉬薄片的結構,因此可以用它們來做測試。

前所未有地,我們現在可以用低能量的電子來觀察精細分子中的化學鍵,為電子顯微鏡提供更溫和的觸感,同時展現了全新的細節水平。

或許以後,亞原子世界的攝影作品會成為人們掛在牆上的藝術品。

這項研究發表在Nature上。

本文譯自sciencealert,由譯者majer基於創作共用協議(BY-NC)釋出。

細節前所未有豐富的原子照相技術原文請看這裡