Унікальний знімок: вчені сфотографували окремі атоми з найвищою роздільною здатністю в історії

Олександр Гайдамашко

Джерело:

Science

Основні тези

Учені сфотографували окремі атоми з найвищою роздільною здатністю в історії, використовуючи метод птихографії.
Це зображення показує атоми в кристалічній решітці матеріалу Praseodymium orthoscandate.
Фізик Девід Мюллер зазначив, що ця роздільна здатність є майже максимальною, яку можна досягти.
Ця технологія має широкі перспективи для застосування в різних галузях, таких як матеріалознавство та квантові комунікації, хоча потребує значних обчислювальних ресурсів.

Учені сфотографували атоми з найвищою роздільною здатністю в історії

На цьому зображенні показано електронно-птикографічну реконструкцію кристала ортоскандату празеодиму, збільшену в 100 мільйонів разів / David Muller/Корнельський університет

Уся матерія Всесвіту складається з крихітних будівельних блоків, які занадто малі, щоб побачити їх неозброєним оком. Ми називаємо їх атомами й уже багато років намагаємося розгадати їхні таємниці. На жаль, через свої розміри вони важко піддаються вивченню. Нове дослідження робить у цьому крок уперед.

Деталі

Зображення, яке ви бачите вище, було зроблене ще у 2021 році. Ці точки – атоми в кристалічній решітці шматка матеріалу, який називається Praseodymium orthoscandate. Єдина причина, чому зображення виглядає трохи нечітким, полягає не в низькій роздільній здатності, а в тому, що атоми не припиняють швидко рухатися, що призводить до невеликого розмиття.

Дивіться також Обмеження термоядерного синтезу, яке вважали законом, було брехнею: його перевершили вдесятеро

Вчені кажуть, що, незалежно від того, наскільки хорошими стають технології, ця рекордна роздільна здатність навряд чи коли-небудь буде побита. Це тому, що існує межа роздільної здатності, яку ми можемо досягти на цих атомних масштабах, і це майже вона.

Це не просто новий рекорд. Ми досягли режиму, який фактично стане остаточною межею роздільної здатності. Тепер ми можемо з'ясувати, де знаходяться атоми, у дуже простий спосіб. Це відкриває цілу низку нових можливостей для вимірювання речей, які ми хотіли зробити дуже давно,
– каже фізик Девід Мюллер з Корнельського університету.

Це досягнення є результатом роботи вершини технології атомної візуалізації, яка називається птихографія. Птихографія насправді є не технікою прямої візуалізації шляхом фотографування, а різновидом інтерферометрії. Це генерація зображення з інтерференційних картин. Ось як це працює:

Вчені обстрілюють електронами дослідний зразок Praseodymium orthoscandate.
Коли електрони влучають в атоми матеріалу, то відскакують і дозволяють виміряти характер відскоку чи розсіювання під час руху пучка.
Реєструючи положення відбитих електронів, система візуалізації може генерувати зображення того, від чого відскакують електрони.

Оскільки Praseodymium orthoscandate є складною сполукою, ми можемо бачити на знімку три різні типи атомів. Пари яскравих плям, з'єднаних разом, – це Празеодим. Поодинокі яскраві цятки — Скандій. А тьмяні червоні плями – це Кисень. Усі ці атоми пов'язані між собою, утворюючи кристал.

Наслідки та перспективи

Прорив у атомній візуалізації має наслідки і застосування для фізики та інженерії, надаючи нам чудову можливість вивчати атомні структури з високою роздільною здатністю і в трьох вимірах. Ми можемо використовувати це для величезної кількості сфер — від матеріалознавства до квантових комунікацій.

Ми хочемо застосувати це до всього, що робимо. Досі ми всі носили дуже погані окуляри. А тепер у нас з'явилася дуже гарна пара. Чому б вам не зняти старі окуляри, одягнути нові і користуватися ними постійно?
– каже Мюллер.

Попри те, що цей метод займає багато часу та потребує обчислень, його можна зробити ефективнішим за допомогою потужніших комп’ютерів у поєднанні з машинним навчанням і швидшими детекторами.