Under 2018, Cornell-forskare byggde en kraftfull detektor som i kombination med en algoritmdriven process som kallas ptykografi, satte världsrekord genom att tredubbla upplösningen hos ett toppmodernt elektronmikroskop.

Hur framgångsrikt det än var, det tillvägagångssättet hade en svaghet. Det fungerade bara med ultratunna prover som var några atomer tjocka. Allt tjockare skulle få elektronerna att spridas på ett sätt som inte kunde lossas.

Nu ett team, återigen ledd av David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik, har slagit sitt eget rekord med en faktor två med en elektronmikroskop pixel array-detektor (EMPAD) som innehåller ännu mer sofistikerade 3D-rekonstruktionsalgoritmer.

Upplösningen är så finjusterad, den enda suddigheten som återstår är den termiska jiggling av själva atomerna.

Gruppens tidning, "Electron Ptychography uppnår gränser för atomupplösning som fastställts av gittervibrationer, " publicerad 20 maj i Vetenskap . Uppsatsens huvudförfattare är postdoktor Zhen Chen.

"Det här sätter inte bara ett nytt rekord, ", sa Muller. "Det har nått en regim som i praktiken kommer att vara en yttersta gräns för upplösning. Vi kan nu i princip ta reda på var atomerna finns på ett mycket enkelt sätt. Detta öppnar upp för en hel del nya mätmöjligheter av saker vi har velat göra väldigt länge. Det löser också ett långvarigt problem – att ångra den multipla spridningen av strålen i provet, som Hans Bethe lade fram 1928 - som har blockerat oss från att göra detta tidigare."

Ptykografi fungerar genom att skanna överlappande spridningsmönster från ett materialprov och leta efter förändringar i det överlappande området.

"Vi jagar fläckmönster som liknar de där laserpekarmönster som katter är lika fascinerade av, ", sa Muller. "Genom att se hur mönstret förändras, vi kan beräkna formen på föremålet som orsakade mönstret."

Detektorn är något oskarp, suddar strålen, för att fånga det bredaste utbudet av data som möjligt. Dessa data rekonstrueras sedan via komplexa algoritmer, vilket resulterar i en ultraprecis bild med pikometerprecision (en biljondels meter).

"Med dessa nya algoritmer, vi kan nu korrigera för all suddighet i vårt mikroskop till den grad att den största suddighetsfaktorn vi har kvar är det faktum att atomerna själva vinglar, för det är vad som händer med atomer vid ändlig temperatur, " sa Muller. "När vi pratar om temperatur, vad vi faktiskt mäter är medelhastigheten för hur mycket atomerna vippar."

Forskarna skulle möjligen kunna toppa sitt rekord igen genom att använda ett material som består av tyngre atomer, som vinglar mindre, eller genom att kyla ner provet. Men även vid noll temperatur, atomer har fortfarande kvantfluktuationer, så förbättringen skulle inte bli särskilt stor.

Denna senaste form av elektronptykografi kommer att göra det möjligt för forskare att lokalisera individuella atomer i alla tre dimensioner när de annars kan vara dolda med hjälp av andra avbildningsmetoder. Forskare kommer också att kunna hitta föroreningsatomer i ovanliga konfigurationer och avbilda dem och deras vibrationer, en i taget. Detta kan vara särskilt användbart vid avbildning av halvledare, katalysatorer och kvantmaterial – inklusive de som används i kvantberäkningar – såväl som för att analysera atomer vid gränserna där material är sammanfogade.

Avbildningsmetoden kan också tillämpas på tjocka biologiska celler eller vävnader, eller till och med synapskopplingarna i hjärnan – det som Muller refererar till som "connectomics on demand".

Även om metoden är tidskrävande och beräkningskrävande, det skulle kunna göras mer effektivt med kraftfullare datorer i kombination med maskininlärning och snabbare detektorer.

"Vi vill tillämpa detta på allt vi gör, sa Muller, som är meddirektör för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science och är medordförande för Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, en del av Cornells initiativ för radikalt samarbete. "Tills nu, vi har alla haft riktigt dåliga glasögon. Och nu har vi faktiskt ett riktigt bra par. Varför skulle du inte vilja ta av dig de gamla glasögonen, sätta på de nya, och använder dem hela tiden?"