تصویر اتمی با بالاترین وضوحی که تاکنون ثبت شده است را مشاهده کنید

منتشر شده در scientificamerican به تاریخ ۲۸ ژوئن ۲۰۲۱
لینک منبع See the Highest-Resolution Atomic Image Ever Captured

با بالاترین وضوح تصویر اتم‌های گرفته شده را ببینید. برای ایجاد آن، محققان دانشگاه کرنل نمونه‌ای از یک کریستال را در سه بعد گرفتند و 100 میلیون بار آن را بزرگنمایی کردند و وضوح آن را دو برابر کرد و همین امر باعث ثبت رکوردهای گینس در سال 2018 برای همان دانشمندان شد. فرآیند تصویربرداری آن‌ها می‌تواند به توسعه موادی برای طراحی تلفن‌های قوی‌تر و کارآمدتر، کامپیوترها و دیگر وسایل الکترونیکی و همچنین باتری‌های با دوام بیشتر کمک کند.

دانشمندان این تصویر را با استفاده از تکنیکی به نام ptychography الکترونی به دست آوردند. که شامل گرفتن یک پرتو الکترون، در حدود یک میلیارد در ثانیه، در یک ماده هدف است. با پرتاب شدن الکترون‌ها، پرتو بی‌نهایت حرکت می‌کند، بنابراین آن‌ها از زوایای کمی متفاوت به نمونه برخورد می‌کنند‌- گاهی اوقات به طور تمیز از آن عبور می‌کنند. سایر مواقع آن‌ها با اتم‌ها برخورد می‌کنند و قبل از خروج، در داخل نمونه منعکس می‌شوند. دیوید مولر، فیزیکدان کرنل، این تکنیک را شبیه بازی وسطی در برابر حریفانی می‌داند که در تاریکی ایستاده‌اند. توپ‌های وسطی، الکترون‌ها هستند و هدف آن‌ها اتم‌های منحصر به فرد است. اگرچه مولر نمی‌تواند اهداف را ببیند، اما می‌تواند تشخیص دهد که «توپ‌های جاخالی» به کجا می‌رسند. الگوریتم‌های یادگیری ماشینی بر اساس الگوی خال خالی ایجاد شده توسط میلیاردها الکترون در زمان برخورد با یک آشکارساز، می‌توانند محاسبه کنند که اتم‌ها در نمونه کجا بودند و شکل آن‌ها چگونه می‌تواند باشد‌، بنابراین تصویری ایجاد می‌شود.

پیش از این، ptychography الکترونی تنها برای تصویر کردن نمونه‌های بسیار تخت استفاده می‌شد که فقط یک تا چند اتم ضخامت داشتند. اما مطالعه جدید مولر و همکارانش در علم، ثبت لایه‌های چندگانه ده‌ها تا صدها اتم را توصیف می‌کند. این موضوع این تکنیک را بیشتر به دانشمندان مواد مربوط می‌کند که معمولا خواص نمونه‌ها را با ضخامت حدود ۳۰ تا ۵۰ نانومتر مطالعه می‌کنند. (این کوچک‌تر از طولی است که ناخن‌هایتان در یک دقیقه رشد می‌کنند اما چندین بار ضخیم‌تر از آن چیزی است که در گذشته با ptychography الکترونی تصور می‌شد.) اندرو مایدن، مهندس دانشگاه شفیلد، که به توسعه ptychography کمک کرد اما بخشی از مطالعه جدید نبود، می‌گوید: "آن‌ها در حال حاضر می‌توانند به مجموعه اتم‌ها نگاه کنند‌، بنابراین بسیار شگفت انگیز است." «قطعنامه فقط سرسام‌آور است.»

این نتیجه پیشرفت مهمی را در دنیای میکروسکوپ الکترونی نشان می‌دهد. در اوایل دهه ۱۹۳۰، میکروسکوپ‌های الکترونی استاندارد، دیدن اشیائی مانند پولیوویروس را ممکن ساختند، که کوچک‌تر از طول‌موج‌های نور مرئی هستند. اما میکروسکوپ‌های الکترونی حدی داشتند: افزایش وضوح آن‌ها نیاز به افزایش انرژی پرتوهای الکترونی داشت و در نهایت انرژی لازم آنقدر زیاد می‌شد که به نمونه آسیب می‌رساند.

در مقابل، Ptychographyاز یک آشکارساز استفاده می‌کند که می‌تواند تمام زوایای مختلف پرتو را ثبت کند و می‌تواند در هر موقعیت پرتو پراکنده شود و اطلاعات بسیار بیشتری با طول‌موج و لنز یک‌سان به دست آورد. محققان در دهه ۱۹۶۰ درباره ptychography نظریه‌پردازی کردند و استفاده از آن را برای غلبه بر محدودیت‌های لنزهای الکترونی در دهه ۱۹۸۰ تصور کردند. اما به دلیل محدودیت‌های محاسباتی و ردیاب و ریاضیات پیچیده مورد نیاز، این تکنیک برای چندین دهه به کار گرفته نشد. نسخه‌های اولیه با نور مرئی و اشعه ایکس بسیار بهتر از الکترون‌های مورد نیاز برای تصویربرداری از اجسام اندازه اتمی کار می‌کردند. در همین حال دانشمندان به بهبود میکروسکوپ‌های الکترونی ادامه دادند. مولر می‌گوید: « شما باید برای توجه به این کار، یک معتقد واقعی به ptychography باشید.»

درست در چند سال گذشته، مولر و تیمش یک آشکارساز به اندازه کافی خوب برای کار آزمایشی با ptychography الکترونی ایجاد کردند. تا سال ۲۰۱۸ آن‌ها دریافتند که چگونه نمونه‌های دو بعدی را با این روش بازسازی کنند، و آنچه مولر آن را «تصویر با بالاترین وضوح با هر روشی در جهان» می‌نامد (و رکورد گینس را به دست آوردند) را تولید کنند. محققان این شاهکار را با استفاده از طول‌موج انرژی کم‌تر نسبت به روش‌های دیگر انجام دادند و به آن‌ها اجازه دادند تا آنچه را که می‌بینند بهتر حفظ کنند.

چالش بعدی نمونه‌های ضخیم‌تری بود که در آن یک موج الکترونی قبل از رسیدن به یک آشکارساز، از بسیاری از اتم‌ها کمانه می‌کند: به اصطلاح مساله پراکندگی چندگانه. اعضای تیم متوجه شدند که با همپوشانی کافی الگوهای اسپکل و توان محاسباتی (و، طبق گفته مولر، «نیروی وحشی و جهل») ، می‌توانند برای تعیین اینکه کدام طرح اتم‌ها یک الگوی مشخص را تولید می‌کنند، به عقب حرکت کنند. برای انجام این کار، آن‌ها یک مدل را به خوبی تنظیم می‌کنند تا زمانی که الگویی که ایجاد می‌کند با الگویی که به صورت تجربی تولید شده‌است، مطابقت داشته باشد.

چنین تکنیک‌های تصویربرداری با وضوح بالا برای توسعه نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی ضروری هستند. برای مثال، بسیاری از محققان برای یافتن نیمه‌رساناهای کارآمدتر، به دنبال تراشه‌های کامپیوتری مبتنی بر سیلیکون هستند. برای این که این اتفاق بیفتد، مهندسان باید بدانند که با چه چیزی در سطح اتمی کار می‌کنند-که به معنی استفاده از فن‌آوری‌هایی مانند ptychography الکترونی است. جی ماری گیبسون، رئیس دانشکده مهندسی دانشگاه ایالتی فلوریدا-دانشگاه ایالتی فلوریدا که بخشی از مطالعه جدید نبود، می‌گوید: « ما این ابزارها را داریم که در آنجا نشسته‌اند و منتظر هستند تا به ما در بهینه‌سازی آنچه که به نسل بعدی دستگاه‌ها تبدیل خواهد شد، کمک کنند.»

راجر فالکون، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که در این تحقیق شرکت نداشته است، می‌گوید: باتری‌ها یک حوزه امیدوار کننده برای استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری مانند فوتوگرافی الکترونی هستند. ساختن باتری‌ها که بتوانند انرژی زیادی را به طور ایمن ذخیره کنند، برای انتقال از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های تجدید پذیر، از جمله باد و خورشید، حیاتی است. فالکون می‌گوید: « تکنولوژی‌های تصویربرداری برای بهبود باتری‌ها بسیار مهم هستند زیرا ما می‌توانیم به جزئیات واکنش‌های شیمیایی نگاه کنیم.»

اما هنوز راه درازی در پیش است. برای این که ptychography الکترونی منجر به پیشرفت برای تلفن همراه یا لپ‌تاپ شما شود، باید کاری بیش از بازسازی یک تصویر انجام دهد-باید دقیقا یک اتم منفرد در یک ماده را پیدا کند. اگرچه دانشمندان نشان دادند که چگونه فرآیند جدید آن‌ها می‌تواند این کار را در تئوری انجام دهد، اما هنوز آن را به صورت تجربی نشان نداده اند. لسلی تامپسون، کارشناس توصیف مواد در IBM، که در این مطالعه جدید شرکت نداشته است، می‌گوید: « با هر تکنیک جدیدی، همیشه کمی زمان می‌برد تا محققان همکار شما این موضوع را امتحان کنند و ببینند که آیا کاربرد عملی و واقعی دارد یا خیر.»

فالکون می‌گوید: « تا جایی که شما یک ابزار جدید مانند یک میکروسکوپ با وضوح بالا اختراع می‌کنید، احساس من این است که شما تمایل دارید از اینکه این ابزار برای حل چه مشکلی به کار می‌رود شگفت‌زده شوید.» « مردم به چیزهایی نگاه خواهند کرد که ما حتی اکنون نمی‌توانیم تصور کنیم-و مشکلی را حل خواهند کرد که ما هنوز مطمئن نیستیم.»

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.