«Схема расположения» атомов помогает определить их положение в материалах | Новости Массачусетского технологического института

Если представить отдельный атом как песчинку, то длина волны видимого света, которая в тысячу раз превышает ширину атома, сравнима с океанской волной. Световая волна может затмить атом, полностью пропустив его, проходя мимо. Эта пропасть в размерах уже давно лишила учёных возможности видеть и различать отдельные атомы, используя только оптические микроскопы.

Лишь недавно ученые нашли способ преодолеть этот «дифракционный предел» и увидеть детали размером меньше длины волны света. С помощью новых методов, известных как микроскопия сверхвысокого разрешения, ученые могут видеть масштабы одной молекулы.

И тем не менее, отдельные атомы до сих пор были слишком малы для того, чтобы их можно было различить с помощью оптических микроскопов, которые гораздо проще и дешевле, чем методы сверхвысокого разрешения.

В открытом доступе газета, появившаяся сегодня в Природные коммуникации, Ученые Массачусетского технологического института представляют новый вычислительный метод, который позволяет оптическим микроскопам различать отдельные атомы и определять их точное расположение в кристаллической структуре.

Новая «методика визуализации дискретной сетки», или DIGIT, представляет собой подход к компьютерной визуализации, который ученые могут применять к оптическим данным для расчета наиболее вероятного местоположения отдельных атомов на основе очень важной подсказки: известной атомной конфигурации материала. Пока у ученых есть представление о том, каким должно быть физическое расположение атомов материала, они могут использовать это расположение как своего рода карту, чтобы определить, где должны быть расположены конкретные атомы или элементы.

«Как будто вы знаете, что существует схема рассадки», — говорит ведущий автор Юцинь «София» Дуань, аспирантка факультета электротехники и информатики (EECS) Массачусетского технологического института. «Предыдущие методы могли сказать вам, в каком разделе находится атом. Но теперь мы можем принять эту схему расположения как предварительные знания и точно определить, в каком месте находится атом».

С помощью DIGIT команда теперь может точно определять отдельные атомы с разрешением 0,178 ангстрем. (Один ангстрем равен одной десятой нанометра, что составляет менее половины ширины одного атома). Этот метод позволяет оптическим микроскопам локализовать особенности атомного масштаба в любом материале, который имеет известную атомную структуру, например, в кристаллических материалах или некоторых белках с повторяющимися молекулярными цепями.

Команда говорит, что этот метод может помочь в разработке квантовых устройств, которые часто требуют размещения отдельных атомов точно внутри кристалла. Помимо квантовых технологий, DIGIT также может дать новое представление о том, как дефекты и примеси влияют на поведение современных материалов — от полупроводников до сверхпроводников.

Соавторами Дуаня в Массачусетском технологическом институте являются Цюши Гу, Ханфэн Ван, Юн Ху, Кевин Чен, Мэтью Трусхейм и профессор EECS Дирк Инглунд.

Поддержка сети

Ученые могут отображать объекты размером меньше нанометра, а иногда и размером с один атом, но не с помощью оптических микроскопов. В этих случаях они используют трансмиссионные или сканирующие электронные микроскопы, которые посылают высокоэнергетические пучки электронов в образец для создания изображения на основе картины рассеяния электронов. Эти электронные методы создают высокодетализированные изображения почти атомного масштаба, но они требуют визуализации в вакууме и при высоких энергиях и работают только с ультратонкими, синтетическими или твердотельными материалами. Электронные методы визуализации слишком суровы для более деликатных живых образцов.

Напротив, оптические микроскопы работают при более низких энергиях, в условиях окружающей среды и их можно безопасно применять к биологическим образцам. Но они не могут различить особенности, выходящие за пределы дифракционного предела. По сути, микроскоп не может увидеть детали размером менее половины длины волны видимого света (около 200–300 нанометров), который микроскоп посылает для исследования образца. Таким образом, атомы долгое время ускользали от оптических микроскопов.

Однако в 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена разработчикам метода преодоления дифракционного предела. Микроскопия сверхвысокого разрешения работает, направляя лазерный луч на образец на определенной частоте, которая, как известно, резонирует с интересующей особенностью, например с определенной молекулой. Когда эта молекула резонирует, она эффективно заявляет о своем присутствии в материале. С помощью этой оптической манипуляции ученые могут визуализировать детали размером до 10 нанометров в масштабе одной молекулы.

Дуан и Инглунд стремились разрешить даже более мелкие детали, сочетая методы сверхвысокого разрешения со статистическим анализом и знанием материалов, которые часто упускались из виду.

«Одна вещь, которую игнорируют при визуализации оптических систем, — это физическая конфигурация вашей системы», — говорит Дуан. “Например, если вы хотите визуализировать дефекты в алмазной системе, эти дефекты могут находиться только в определенных положениях, поскольку они должны следовать сетке атомной структуры алмаза. В белках есть некоторые структуры, которые растут в организованной сетке, и их расположение должно быть где-то вдоль этой физической сетки”.

Исследователи подозревали, что если бы у них была достаточно точная карта атомной структуры материала (представьте себе шарообразные модели молекул в классе химии), они могли бы использовать такие карты в качестве шаблона и опробовать множество различных ориентаций и углов вращения, чтобы найти наиболее близкое совпадение с любыми особенностями, первоначально визуализируемыми с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения.

«Никто никогда раньше не делал этого, чтобы включить физические ограничения или системную информацию в метод разрешения», — говорит Дуан.

Размытие, свернутое

Чтобы проверить свою идею, исследователи работали с образцом алмаза — кристалла, микроструктура которого хорошо изучена и напоминает организованную сетку или решетку из повторяющихся атомов углерода. Исследователи слепо удалили некоторые атомы углерода из решетки и заменили их атомами кремния, используя оборудование MIT.nano. Их целью было идентифицировать и определить точное расположение блуждающих атомов кремния.

Для этого они сначала использовали признанные методы микроскопии сверхвысокого разрешения для исследования образца алмаза, используя лазеры, настроенные на определенные длины волн и частоты, которые, как известно, резонируют с атомами кремния, но не с атомами углерода. С помощью этой техники исследователи создали изображения, на которых атомы кремния были изображены, но только в виде равномерного размытия.

Затем команда применила DIGIT для дальнейшего разрешения изображения. Зная, что алмаз в целом имеет решетчатую конфигурацию атомов углерода, исследователи восприняли эту конфигурацию как карту или своего рода диаграмму расположения и предположили, что любые атомы кремния, занявшие место атома углерода, должны находиться внутри сетки с известным расстоянием между атомами.

«Поскольку атомы кремния заменяют атомы углерода в решетке, это означает, что они должны подчиняться некоторому целому числу, кратному расстоянию между атомами кристаллической решетки, разделяющему любые два атома кремния», — говорит Энглунд. «Эти предварительные знания делают локализацию иной, чем если бы вы добавили чисто аморфный материал».

По сути, исследователи смоделировали множество вариантов ориентации и углов вращения алмазной решетки, наложив их на размытое изображение атомов, полученное с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения.

«Хитрость в том, что в некоторых материалах атомы распределены не случайным образом — они располагаются на сетке внутри кристалла», — объясняет Дуан. “Мы использовали эти предварительные знания, чтобы сделать изображение микроскопа более четким. Как только мы учли эту “атомную сетку”, размытость исчезла, и мы смогли точно определить точные положения”.

В конце концов они обнаружили, что этот метод может точно определить местоположение отдельных атомов кремния внутри алмазной решетки с точностью 0,178 ангстрем — самое высокое разрешение среди всех методов оптической визуализации. Команда сделала код DIGIT доступным на GitHub, чтобы каждый мог применить его к своим оптическим измерениям, при условии, что интересующий образец имеет хорошо понятную атомную структуру. Затем они надеются, что ученые начнут видеть гораздо более тонкие и подробные особенности и процессы с помощью света.

«Это большой шаг — он выводит оптические микроскопы на уровень атомного масштаба, на что люди думали, что способны только электронные микроскопы или рентгеновские лучи», — говорит Дуан. «Это открывает совершенно новый способ изучения материалов и биологии».