原子觀測分辨率提高兩個數量級 科學家可在三維空間定位單個原子

據物理學家組織網近日報道，美國科學家用電子顯微鏡像素陣列探測器(EMPAD)與更復雜的三維重建算法相結合，將原子觀測的分辨率提高了2個數量級并創下新紀錄。借助新技術，科學家可以在三維空間中定位單個原子，這對于觀察半導體、催化劑和量子材料來說非常重要，且有望應用于生物醫學領域。

2018年，康奈爾大學的大衛·穆勒等人研制了一款高性能探測器，將當時最先進的電子顯微鏡的分辨率提高了3倍，創下當時最高紀錄。盡管這種方法很成功，但它只適用于僅幾個原子厚的超薄樣品。

有鑒于此，康奈爾大學團隊用EMPAD結合更復雜的算法再次打破了自己的記錄，主要研究人員為該校博士后陳震(音譯)。相關論文發表于最新一期的《科學》雜志上。

穆勒指出，借助新算法，他們能糾正顯微鏡所有的模糊，將精度提升2個數量級，達到皮米(萬億分之一米)級精度。

穆勒說表示，最新研究創造了新紀錄，實際上已成為目前有效觀測的分辨率的上限。現在，他們基本上可以用一種非常簡單的方法找出原子的位置，這讓以前很多無法測量的事物變得可以測量。

研究人員可以通過使用由較重原子組成的材料或通過冷卻樣品，再次刷新他們的記錄。但即使在零溫度下，原子仍有量子漲落，因此，精度的改善空間并不大。

陳震等人表示，新技術將使科學家能在三維空間中定位單個原子，還能幫助他們找到特殊結構中的雜質原子，并對這些原子及其振動逐一成像，這對于給半導體、催化劑和量子材料(包括量子計算中使用的材料)成像特別有用。新方法還能給較厚的生物細胞或組織，甚至大腦內突觸之間的連接成像。而且，雖然該方法耗時且計算量大，但采用功能更強大的計算機，并與機器學習和效率更快的探測器相結合，可以提高效率。(劉霞)