原子觀測(cè)分辨率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí) 有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，美國(guó)科學(xué)家用電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器(EMPAD)與更復(fù)雜的三維重建算法相結(jié)合，將原子觀測(cè)的分辨率提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)并創(chuàng)下新紀(jì)錄。借助新技術(shù)，科學(xué)家可以在三維空間中定位單個(gè)原子，這對(duì)于觀察半導(dǎo)體、催化劑和量子材料來(lái)說(shuō)非常重要，且有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2018年，康奈爾大學(xué)的大衛(wèi)·穆勒等人研制了一款高性能探測(cè)器，將當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的電子顯微鏡的分辨率提高了3倍，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)最高紀(jì)錄。盡管這種方法很成功，但它只適用于僅幾個(gè)原子厚的超薄樣品。

有鑒于此，康奈爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)用EMPAD結(jié)合更復(fù)雜的算法再次打破了自己的紀(jì)錄，主要研究人員為該校博士后陳震(音譯)。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期的《科學(xué)》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(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到皮米(萬(wàn)億分之一米)級(jí)精度。

穆勒表示，最新研究創(chuàng)造了新紀(jì)錄，實(shí)際上已成為目前有效觀測(cè)的分辨率的上限。現(xiàn)在，他們基本上可以用一種非常簡(jiǎn)單的方法找出原子的位置，這讓以前很多無(wú)法測(cè)量的事物變得可以測(cè)量。

研究人員可以通過(guò)使用由較重原子組成的材料或通過(guò)冷卻樣品，再次刷新他們的紀(jì)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(shù)將使科學(xué)家能在三維空間中定位單個(gè)原子，還能幫助他們找到特殊結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)原子，并對(duì)這些原子及其振動(dòng)逐一成像，這對(duì)于給半導(dǎo)體、催化劑和量子材料(包括量子計(jì)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(xì)胞或組織，甚至大腦內(nèi)突觸之間的連接成像。而且，雖然該方法耗時(shí)且計(jì)算量大，但采用功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，并與機(jī)器學(xué)習(xí)和效率更快的探測(cè)器相結(jié)合，可以提高效率。