Deux problèmes majeurs qui limitent la résolution et l’interprétation des images de microscopie électronique sont les aberrations de l’objectif et la diffusion multiple. L’Université de Cornell Professeur David Muller et ses collègues aux États-Unis, en Suisse et en Allemagne ont surmonté ces problèmes avec une technique d’imagerie informatique appelée optique. À l’aide d’algorithmes de reconstruction 3D sophistiqués et d’un détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique (EMPAD), ils ont obtenu une résolution finale meilleure que la vibration thermique des atomes dans un orthoscandate de praséodyme (PrScO3) cristal et a montré qu’il est théoriquement possible d’identifier des atomes individuels.

Cette image montre une reconstruction optique électronique d’un cristal d’orthoscandate de praséodyme, grossie 100 millions de fois. Crédit d’image: Chen et al., doi: 10.1126 / science.abg2533.

L’optique fonctionne en balayant les motifs de diffusion qui se chevauchent à partir d’un échantillon de matériau et en recherchant des changements dans la région de chevauchement.

“Nous poursuivons des motifs de taches qui ressemblent beaucoup à ces motifs de pointeur laser qui fascinent également les chats”, a déclaré le professeur Muller.

“En voyant comment le motif change, nous pouvons calculer la forme de l’objet qui a causé le motif.”

Le détecteur EMPAD est légèrement flou, brouillant le faisceau, pour capturer la plus large gamme de données possible.

Ces données sont ensuite reconstruites grâce à des algorithmes complexes, résultant en une image avec une précision picométrique (un billionième de mètre).

“Avec ces nouveaux algorithmes, nous pouvons maintenant corriger tout le flou dans notre microscope au point où le plus grand facteur de flou qui nous reste est le fait que les atomes vacillent, car c’est ce qui arrive aux atomes à une température finie”, a déclaré le professeur Muller. .

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“Lorsque nous parlons de température, ce que nous mesurons en fait est la vitesse moyenne à laquelle les atomes se déplacent.”

Les physiciens pourraient éventuellement battre à nouveau leur record en utilisant un matériau composé d’atomes plus lourds, qui vacillent moins, ou en refroidissant l’échantillon.

Mais même à température nulle, les atomes ont encore des fluctuations quantiques, donc l’amélioration ne serait pas très importante.

Cette dernière forme d’optique électronique permettra aux chercheurs de localiser des atomes individuels en 3D alors qu’ils pourraient autrement être cachés par d’autres méthodes d’imagerie.

Ils seront également capables de trouver des atomes d’impuretés dans des configurations inhabituelles et de les imaginer ainsi que leurs vibrations, un à la fois.

“Nous voulons appliquer cela à tout ce que nous faisons”, a déclaré le professeur Muller.

« Jusqu’à présent, nous avons tous porté de très mauvaises lunettes. Et maintenant, nous avons une très bonne paire. »

« Pourquoi ne voudriez-vous pas enlever vos vieilles lunettes, mettre les nouvelles et les porter tout le temps ? »

Les équipes papier a été publié dans la revue les sciences.

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Zhen chen et al. 2021. L’optique électronique atteint les limites de la résolution atomique établie par les vibrations du réseau. les sciences 372 (6544) : 826-831 ; doi: 10.1126 / science.abg2533