Los científicos toman imágenes de los átomos con una resolución récord cercana a los límites físicos absolutos

Una reconstrucción psicográfica electrónica de un cristal de ortoescandato de praseodimio (PrScO3), ampliada 100 millones de veces. Crédito: Universidad de Cornell.

Los físicos de la Universidad de Cornell han empujado los límites de la imagen atómica al aumentar la resolución de un microscopio electrónico por un factor de dos. Si bien muchos teléfonos inteligentes modernos tienen cámaras de alta resolución que le permiten acercar mucho, no son rival para esta configuración que puede reconstruir imágenes ultraprecisas con una precisión de una billonésima de metro. Puede ver los átomos individuales y los enlaces químicos en las moléculas.

Los investigadores, dirigidos por el profesor David Muller, diseñaron un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico y algoritmos de reconstrucción 3D de última generación para tomar imágenes de átomos con precisión láser. La resolución es tan nítida que el único elemento borroso es el movimiento térmico de los propios átomos.

Esto no solo establece un nuevo récord, dijo Muller. Se ha llegado a un régimen que efectivamente va a ser un límite último para la resolución. Básicamente, ahora podemos averiguar dónde están los átomos de una manera muy fácil. Esto abre un montón de nuevas posibilidades de medición de las cosas que hemos querido hacer durante mucho tiempo, dijo Muller.

El avance depende de una técnica impulsada por algoritmos informáticos conocida como pticografía, que funciona escaneando patrones de dispersión superpuestos de una muestra y luego buscando cambios en la región superpuesta.

Estamos persiguiendo patrones de motas que se parecen mucho a los patrones de puntero láser que fascinan a los gatos, dijo Muller. Al ver cómo cambia el patrón, podemos calcular la forma del objeto que causó el patrón.

El detector utilizado por el microscopio electrónico está ligeramente desenfocado a propósito. De esta manera, el haz borroso puede capturar la mayor variedad de datos posible. Luego, los datos se utilizan para reconstruir una imagen nítida de la muestra a través de algoritmos complejos.

Con estos nuevos algoritmos, ahora pudimos corregir toda la borrosidad de nuestro microscopio hasta el punto de que el mayor factor de borrosidad que nos queda es el hecho de que los átomos mismos se tambalean, porque eso es lo que les sucede a los átomos a una temperatura finita, dijo Muller. . Cuando hablamos de temperatura, lo que en realidad estamos midiendo es la velocidad promedio de cuánto se mueven los átomos.

Debido a la sacudida de los átomos, los investigadores afirman que su logro está casi en el límite inferior físico de la imagen atómica. Teóricamente, podrían romper su propio récord y lograr una resolución aún mayor al congelar la muestra cerca del cero absoluto. Sin embargo, incluso cerca de cero, todavía hay fluctuaciones cuánticas y, de todos modos, las mejoras solo serían marginales en el mejor de los casos.

La pticografía electrónica permitirá a los científicos identificar átomos individuales en el espacio tridimensional que pueden quedar ocultos por otros métodos de imagen. Las aplicaciones inmediatas incluyen la detección de impurezas en las muestras, así como la obtención de imágenes de ellas y sus vibraciones. Para la industria, esto es particularmente útil al evaluar la calidad de los semiconductores, catalizadores y materiales cuánticos sensibles destinados a las computadoras cuánticas.

Queremos aplicar esto a todo lo que hacemos, dijo Muller. Hasta ahora, todos hemos estado usando anteojos realmente malos. Y ahora tenemos un par realmente bueno. ¿Por qué no querrías quitarte las gafas viejas, ponerte las nuevas y usarlas todo el tiempo?

Los hallazgos aparecieron en la revista Science.

Este artículo apareció originalmente en mayo de 2021.

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