这可能是我们永远得到的最高分辨率显微镜

科学家可以看到单个原子比以往任何时候都更加清晰,但他们可能会接近他们的旅程。

一段近一个世纪前的旅程,科学家发明了第一家电子显微镜,已经采取了另一步。

一群物理学家甚至更接近终极极限,这是科学家认为物品可以放大的终极限制。这个群体以前举行了 世界纪录 对于用显微镜实现的最高分辨率。他们的最新工作, 发表 科学 ,缩小甚至缩写。 

“这是人类历史上最高分辨率的成像,” 大卫穆勒 是康奈尔大学的物理学家,以及其中一位作者的作者。

您不会在此附近的任何地方进行分辨率,与您在学校中可能使用的类型的显微镜。那些显微镜 - 就像那些罗伯特胡克的显微镜 300多年前 瞥见隐藏的细胞世界 - 看到光明。这意味着它们无法看到比较光波长的任何东西。它’s a hard limit that’S一千次太大而无法考虑看到原子。

科学家已经在20世纪初的那段路障中击中了这条障碍。如果你想较少 - 进入病毒世界,例如, 开发脊髓灰质炎疫苗 - 您需要看到具有比光更短的介质。

您可能会转向电子,绕原子核的微小带电粒子。在20世纪30年代,科学家喜欢 ernstruska. 开始构建第一电子显微镜,可以通过用电子束探测它们在生动的细节中露出微型物体。 

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电子的波长比光短约100,000倍。从理论上讲,您可以将它们与atoms-of Mork的那些基本构建块同步。但是存在问题,而不是电子的错。 “电子镜片的镜头质量是可怕的,”穆勒说。 

没有成像系统是完美的,因为许多天文学家 熟悉 。但电子显微镜内的电磁透镜特别模糊。根据Muller的说法,透过典型的电子显微镜看,就像通过啤酒瓶看光。

围绕这一点的一种方式是附加称为“像差校正”的硬件位,这就像处方电子显微镜一对眼镜。但要看原子,你需要进行一次像差校正器的交响乐。想象一百双经常换眼镜。

在20世纪90年代和2000年代,计算机实际上已经实现了这一点,将显微镜分辨率推向新限制。有一段时间,像差校正器保持了分辨率的王位。但到2010年代,该技术开始耗尽蒸汽。

为了不断推动显微镜分辨率的极限,康奈尔的物理学家们走了不少的道路:他们完全离开了镜头。相反,它们在一个物体上射出电子,并观看了它们的分散。 

当那些电子飞行时,物体的原子将抛出轰击电子偏移,将它们弯曲成物体远侧的图案。通过从多个位置的物体处闪烁电子,您可以捕捉整个图案。使用当今的计算机,您可以将这些模式一起缝合以重建原始对象的显微图像。 

它被称为ptychography(Tai-Kaw-Graf-EE)。今天X射线科学家常用自己的PTYChogoge版本,但到电子观察者,这是一个死胡同。科学家一直在谈论电子ptychography 理论上 据此,只有半年,只有在过去的半年里,只有在过去半年内真的可行。 易江 ,Argonne National实验室的物理学家和本文的共同作者。

对于一个,科学家的过去没有探测器能够精确定位到足够的电子降落的地方。对于另一个,即使通过单个原子,电子甚至易于在各种野外方向上抛出。即使使用现代计算机,也不容易占用。结果,在分辨率记录时,像差校正器在PTYChoge上持续幅度大小的铅。

但康奈尔集团认为PTychography持有的承诺。到2010年代中期,他们已经开发出了最先进的电子探测器。为此,他们从X射线科学家借用了算法。它们还通过拨打其电子束来简化问题,并将其对象归档至可能的最小厚度。 

并在2018年工作。康奈尔集团击败像差校正以实现最高的显微镜分辨率,赚取一个 吉尼斯世界纪录 for good measure.

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当然,这不是一个万无一失的方法。 “我们所能做的就是与这些只有一个原子或两个原子厚的材料合作,”穆勒说。

但是这个团队想知道他们是否可以更小。他们有设备这样做,但他们需要他们的电脑来解释电子的讨厌散射。本质上,他们需要迫使他们通过80年来尚未解决的物理问题。 

康奈尔集团三年来滋润咒语 - 穆勒说经常感受到果皮的三年。但由于康奈尔博览会的工作 甄辰 ,他们找到了一种工作的方式。 

结果?他们击败了自己的世界纪录。

有史以来最小的图像之一:氧气,钪和镨的原子,放大率为1000万次。
有史以来最小的图像之一:氧气,钪和镨的原子,放大率为1000万次。 康奈尔大学

“该论文是一个具有里程碑意义的研究,” Matthew Joseph Cherukara.是Argonne National实验室的计算科学家,他们不参与本文。 “这是先进算法的力量和在分类和超越显微镜的物理局限的情况的演示。”

科学家可以进一步走吗? 

对此的答案是,非常字面,朦胧。

看看康奈尔集团的照片,你会发现原子看起来模糊。这不是来自探测器的像差或来自空气的干扰。它是原子本身的颤抖,在热中振动。你可以将原子降温,使它们保持在位,但是通过电子探测它们,您’只再次加热它们。

因此,就科学家们知道,那不是他们能够克服的东西 - 除非他们找到完全看原子的另一种方式。

“我们几乎处于最终的极限,”穆勒说。

 Rahul Rao.

Rahul Rao. 是一位自由职业的科学记者,毕业的纽约州的夏尔普,以及粉丝的医生。 Contact the author 这里。