Фізікі змаглі «сфатаграфаваць» асобныя атамы ў рэкорднай разрозненасці

Фотафакт.

Міжнародная каманда навукоўцаў удасканаліла метад пціхаграфіі, што дазволіла падабрацца да фізічных абмежаванняў яго здольнасці разрозненасці. У атрыманай імі выяве бачныя асобныя атамы, а нязначныя скажэнні выкліканыя іх цеплавымі ваганнямі, піша Naked science.

Група навукоўцаў, якая дасягнула межаў здольнасці разрозненасці сучасных метадаў вымярэння, працавала пад кіраўніцтвам Дэвіда Мюлера (David A. Muller). Менавіта гэты прафесар інжынерных навук з Карнэльскага ўніверсітэта (ЗША) паставіў папярэдні рэкорд у згаданай вобласці тры гады таму. Артыкул з апісаннем працы амерыканскіх, швайцарскіх і нямецкіх фізікаў размешчаны ў часопісе Science Амерыканскай асацыяцыі садзейнічання развіццю навукі (AAAS). Паколькі публікацыя закрытая, цудоўныя выявы, вялікая частка якіх, на жаль, зразумелая толькі прафесіяналам, можна паглядзець у прэпрынце навуковай працы на партале arXiv.

Пціхаграфія дазваляе адрозніваць асобныя атамы выразней, чым усе іншыя спосабы, уключаючы атамна-сілавыя і сканавальныя тунэльныя мікраскопы. Што самае галоўнае, гэты метад «зазірае» ўнутр структуры доследнага рэчыва, а не проста скануе яго паверхню. Спрошчана прынцып пціхаграфіі можна апісаць наступным чынам. На ўзор накіроўваецца злёгку расфакусаваны пучок электронаў або рэнтгенаўскага выпраменьвання. За аб'ектам, які апраменьваецца, знаходзіцца прыёмнік, на якім фармуецца інтэрфераметрычная карціна з электронаў або фатонаў.

Аналізуючы атрыманы сігнал, кампутар аднаўляе становішча атамаў, якія адхілілі фатоны або электроны. Нягледзячы на ўсе ўдасканаленні, у метаду яшчэ ёсць некаторыя істотныя абмежаванні. Напрыклад, таўшчыня доследнага ўзору пакуль не перавышае некалькіх дзясяткаў нанаметраў. Чым яна большая, тым больш магутны патрэбны кампутар для аналізу сігналаў і аднаўлення карцінкі, а таксама тым мацнейшы шум і скажэнні на ёй. Аднак каманда Мюлера не маркоціцца і ўжо прадугледжвае некалькі спосабаў далейшага паляпшэння тэхналогіі.

У сваім апошнім эксперыменце, дзе яны падабраліся да тэарэтычнага ліміту пціхаграфіі, фізікі выкарыстоўвалі пучок электронаў, накіраваны пад рознымі кутамі на тонкі крышталь PrScO3. На выніковых выявах, якія атрымалі навукоўцы, выразна бачная трохмерная структура пераўскіту, які складаецца з атамаў празеадыму, скандыю і кіслароду. Для параўнання ў працы прыводзіцца некалькі наглядных прыкладаў аналагічных даследаванняў іншымі метадамі візуалізацыі.

Як адзначае Мюлер, праца ягоных калег падобная на куплю новых акуляраў пасля таго, як ты заўсёды хадзіў з вельмі слабымі лінзамі. Навукоўцам цяпер не цярпіцца выкарыстоўваць палепшаную пціхаграфію на самых розных аб'ектах - ад паўправадніковых крышталяў (для пошуку хібаў у іх) да жывых нейронаў (для вывучэння субмалекулярных працэсаў, якія праходзяць у нервовай тканцы). Акрамя пашырэння спісу ўзораў, якія фізікі збіраюцца змясціць пад новы «мікраскоп», яны думаюць і над пашырэннем магчымасцяў метаду.

У першую чаргу ёсць відавочны спосаб павысіць здольнасць разрозненасці - узяць узор з як мага больш цяжкіх атамаў і астудзіць яго да тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля. Але, калі паміж вынікамі 2018 года і цяперашняй працай розніца ў выразнасці карцінкі складала амаль два парадкі, то астуджэнне ўжо не дасць такога прыросту. Акрамя таго, можна выкарыстоўваць суперкампутары і нейронавыя сеткі для паскарэння падліку звестак, атрыманых прыёмнікам выпраменьвання. Апошняе паляпшэнне наўрад ці падвысіць разрозненасць метаду, затое дазволіць сканаваць больш буйныя структуры.