Framsteg inom elektronmikroskopi - med elektroner som bildverktyg för att se saker långt bortom räckvidden för konventionella mikroskop som använder ljus - har öppnat ett nytt fönster in i nanoskalavärlden och fått ett brett spektrum av prover i fokus som aldrig förr.

Elektronmikroskopi -experiment kan endast använda en bråkdel av den möjliga informationen som genereras eftersom mikroskopets elektronstråle interagerar med prover. Nu, ett team vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utformat en ny typ av elektrondetektor som fångar all information i dessa interaktioner.

Detta nya verktyg, en supersnabb detektor installerad den 12 februari på Berkeley Labs Molecular Foundry, en användaranläggning för nanoskala, tar fler bilder snabbare, avslöjar detaljer i atomskala över mycket större områden än vad som var möjligt tidigare. Molecular Foundry och dess elektronmikroskop i världsklass i National Center for Electron Microscopy (NCEM) ger tillgång till forskare från hela världen.

Snabbare bildbehandling kan också avslöja viktiga förändringar som prover genomgår och ge filmer kontra isolerade ögonblicksbilder. Det kunde, till exempel, hjälpa forskare att bättre utforska fungerande batteri och mikrochipkomponenter i atomskala innan skadan börjar.

Detektorn, som har en särskild direktanslutning till Cori -superdatorn vid Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), gör det möjligt för forskare att spela in bilder i atomskala med tidtagning mätt i mikrosekunder, eller miljondelar av en sekund - 60 gånger snabbare än möjligt med befintliga detektorer.

"Det är den snabbaste elektrondetektorn som någonsin gjorts, "sade Andrew Minor, NCEM -anläggningsdirektör vid Molecular Foundry.

"Det öppnar upp en ny tidsregim att utforska med högupplöst mikroskopi. Ingen har någonsin tagit kontinuerliga filmer vid denna tidupplösning" med hjälp av elektronbildning, han sa. "Vad händer där? Det finns all slags dynamik som kan hända. Vi vet bara inte för vi har aldrig kunnat titta på dem förut." De nya filmerna kan avslöja små deformationer och rörelser i material, till exempel, och visa kemi i aktion.

Utvecklingen av den nya detektorn, känd som "4-D Camera" (för Dynamic Diffraction Direct Detector), är den senaste i en rad banbrytande innovationer inom elektronmikroskopi, avbildning i atomskala, och höghastighets dataöverföring och datorer på Berkeley Lab som sträcker sig över flera decennier.

"Vår grupp har under en tid arbetat med att göra bättre detektorer för mikroskopi, "sa Peter Denes, en senior vetenskapsman från Berkeley Lab och en mångårig pionjär inom utvecklingen av elektronmikroskopverktyg.

"Du får ett helt spridningsmönster istället för bara en punkt, och du kan gå tillbaka och analysera om data för att hitta saker som du kanske inte fokuserade på tidigare, "Sa Denes. Detta ger snabbt en komplett bild av ett prov genom att skanna över det med en elektronstråle och fånga information baserad på elektronerna som sprider av provet.

Mary Scott, en fakultetsvetare vid Molecular Foundry, sa att den nya detektorns unika geometri tillåter studier av både lätta och tunga element i material sida vid sida. "Anledningen till att du kanske vill utföra ett av dessa mer komplicerade experiment är att mäta positionerna för ljuselement, särskilt i material som kan vara riktigt känsliga för elektronstrålen - som litium i ett batterimaterial - och helst skulle du också kunna mäta positionerna för tunga element i samma material, " Hon sa.

Den nya detektorn har installerats på Transmission Electron Aberration-korrigerat mikroskop 0.5 (TEAM 0.5) vid Molecular Foundry, som satte rekord med hög upplösning när den lanserades på NCEM för ett decennium sedan och gör det möjligt för besökande forskare att få åtkomst till en atomupplösning för några prover. Detektorn genererar hela 4 terabyte data per minut.

"Mängden data motsvarar att titta på cirka 60, 000 HD -filmer samtidigt, "sade Peter Ercius, en personalvetare på Molecular Foundry som specialiserat sig på 3D-atombildning.

Brent Draney, en nätverksarkitekt på Berkeley Labs NERSC, sa att Ercius och Denes hade kontaktat NERSC för att se vad som skulle krävas för att bygga ett system som kunde hantera detta enorma, 400-gigabit dataström producerad av 4-D-kameran.

Hans svar:"Vi har faktiskt redan ett system som kan göra det. Vad vi verkligen behövde göra är att bygga ett nätverk mellan mikroskopet och superdatorn."

Kameradata överförs över cirka 100 fiberoptiska anslutningar till en höghastighets Ethernet-anslutning som är cirka 1, 000 gånger snabbare än det genomsnittliga hemnätverket, sa Ian Johnson, en personalvetare i Berkeley Labs Engineering Division. Nätverket ansluter gjuteriet till Cori -superdatorn på NERSC.

Berkeley Labs Energy Sciences Network (ESnet), som förbinder forskningscentra med höghastighetsdatanät, deltog i insatsen.

Ercius sa, "Superdatorn analyserar data på cirka 20 sekunder för att snabbt kunna ge forskare vid mikroskopet besked om experimentet lyckades eller inte."

Jim Ciston, en annan forskare från Molecular Foundry, sa, "Vi kommer faktiskt att fånga varje elektron som kommer genom provet när den sprids. Genom denna riktigt stora datamängd kommer vi att kunna utföra" virtuella "experiment på provet - vi behöver inte gå tillbaka och ta ny data från olika bildförhållanden. "

Arbetet med den nya detektorn och dess stödjande datasystem bör gynna andra faciliteter som producerar stora datamängder, t.ex. den avancerade ljuskällan och den planerade uppgraderingen, och LCLS-II-projektet vid SLAC National Accelerator Laboratory, Ciston noterade.

Den avancerade ljuskällan, ESnet, Molekylärt gjuteri, och NERSC är DOE Office of Science användarfaciliteter.

Utvecklingen av 4-D-kameran stöddes av Accelerator and Detector Research Program vid Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences, och arbete på Molecular Foundry fick stöd av DOE:s Office of Basic Energy Sciences.