原子图像分辨率再次被刷新，微观世界也要进入高清时代？

扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。

此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

1亿倍分辨率与再次超越

早在2018年，康奈尔大学的研究人员制造了一款高性能的STM隧道扫描探测器，与最新算法驱动的所谓的typchography相结合，将最先进的电子显微镜的分辨率提高了三倍，达到1亿倍的放大率创造了世界纪录。

但是尽管取得了这样的成功，但这种方法有一个弱点。它仅适用于几个原子厚的超薄样品。任何较厚的物质都会导致电子以无法解开的方式散射而无法成像。

近日，由大卫·穆勒（Samuel B. Eckert）的工程学教授再次领导的一个团队利用电子显微镜像素阵列检测器（EMPAD）结合了更复杂的3D重建算法，将自己在2018年创造的记录又提高了两倍。

成像分辨率是如此精微，剩下的唯一模糊是原子本身的热抖动！

最新放大一亿倍的原子图像

“这不仅创造了新纪录，”穆勒说。“已经达到了一种有效地成为分辨率极限的机制。我们现在基本上可以很容易地弄清楚原子的位置。这为我们想要的事物开辟了许多新的测量可能性它可以解决很长一段时间的问题-消除光束在样品中的多重散射（Hans Bethe在1928年提出），这是我们过去无法很好解决的问题。”

气相色谱法的工作原理是扫描材料样品中重叠的散射图案，并寻找重叠区域中的变化。穆勒说：“我们正在追寻图案的光点，这很像你的宠物猫对激光笔的光点着迷一样！” “通过查看图案的变化，我们能够计算出引起图案的物体的形状。”检测器略微散焦，使光束模糊，以捕获最大范围的数据。然后，通过复杂的算法重建该数据，从而获得具有皮米（万亿分之一米）精度的超高精度图像。

“通过这些新算法，我们现在能够校正显微镜的所有模糊，以至于我们剩下的最大模糊因子是原子本身会振动的事实，因为这是原子在绝对零度之上就会发生的情况”，穆勒说。“当我们谈论温度的高低时，我们实际上是在测量的是原子振动多少的平均强度。”

左侧的扫描透射电子显微镜通过样品发射窄束电子，来回扫描以产生图像。右侧的像素阵列检测器读取着陆点，并从该着陆点读取每个电子的散射角，从而提供有关样品原子结构的信息。

研究人员可能通过使用一种由较重的原子组成的材料（其振动较少）或冷却样品来再次刷新他们的记录。但是即使在绝对零度下，原子仍然具有量子涨落，因此改善不会很大。

这种最新形式的电子谱图分析技术使科学家可以在其他三个成像方法中隐藏单个原子的情况下，在所有三个维度上定位单个原子。研究人员还将能够一次发现异常结构中的杂质原子，并对它们及其振动进行成像。这对成像半导体，催化剂和量子材料（包括用于量子计算的那些材料）以及分析将材料连接在一起的边界处的原子特别有用。

这种成像方法也可以应用于厚厚的生物细胞或组织，甚至可以应用于大脑中的突触连接，穆勒称之为“按需连接基因组学”。尽管该方法既耗时又计算量大，但可以使用功能更强大的计算机结合机器学习和更快的检测器来使其效率更高。

“我们希望将其应用到我们所做的一切中，”穆勒说，他是康奈尔大学纳米科学部Kavli研究所的共同负责人，并且是康奈尔大学激进协作计划的一部分，纳米科学与微系统工程（NEXT Nano）工作组的联合主席。“直到现在，我们所有人都一直戴着非常糟糕的眼镜。现在我们实际上已经拥有了一副非常好的眼镜。为什么您不想要摘下旧眼镜，戴上新眼镜并一直使用呢？ ”

梵观点：大千世界，一个原子，也是一个世界。