Если представить отдельный атом как песчинку, то длина волны видимого света, которая в тысячу раз больше ширины атома, сопоставима с океанской волной. Световая волна может быть настолько велика, что не замечает атом и проходит мимо него. Из-за такой разницы в размерах учёным долгое время не удавалось увидеть отдельные атомы с помощью одних только оптических микроскопов.
Только недавно учёные нашли способы преодолеть этот «дифракционный предел» и увидеть объекты, которые меньше длины волны света. С помощью новых методов, известных как микроскопия сверхвысокого разрешения, учёные могут увидеть отдельные молекулы.
Однако отдельные атомы всё ещё были слишком малы для оптических микроскопов, которые намного проще и дешевле методов сверхвысокого разрешения.
В статье, опубликованной в Nature Communications, учёные из Массачусетского технологического института (MIT) представляют новый вычислительный метод, который позволяет оптическим микроскопам различать отдельные атомы и точно определять их местоположение в кристаллической структуре.
Новый метод дискретной решётки (DIGIT)
Команда разработала новый метод под названием DIGIT (Discrete Grid Imaging Technique) — подход к вычислительной визуализации, который учёные могут применять к оптическим данным для расчёта наиболее вероятного местоположения отдельных атомов. Ключевым моментом является известная конфигурация атомов в материале.
«Это как если бы у вас была схема рассадки», — говорит ведущий автор Юцинь «София» Дуань, аспирантка факультета электротехники и компьютерных наук (EECS) Массачусетского технологического института. «Предыдущие методы могли сказать вам, в каком разделе находится атом. Но теперь мы можем использовать эту схему рассадки как предварительное знание и точно определить, на каком месте находится атом».
С помощью DIGIT команда может точно определять местоположение отдельных атомов с разрешением 0,178 ангстрема. (Один ангстрем равен одной десятой нанометра, что меньше 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, для которых часто требуется точное размещение отдельных атомов в кристалле. Помимо квантовых технологий, DIGIT может также предоставить новое понимание того, как дефекты и примеси влияют на поведение современных материалов — от полупроводников до сверхпроводников.
Соавторы Дуань в MIT — Цюши Гу, Ханьфэн Ван, Юн Ху, Кевин Чен, Мэттью Трушхайм и профессор EECS Дирк Энглунд.
Оптические микроскопы против электронных
Учёные могут визуализировать объекты размером меньше нанометра, а иногда и размером с отдельный атом, но не с помощью оптических микроскопов. В этих случаях они используют просвечивающие или сканирующие электронные микроскопы, которые посылают высокоэнергетические пучки электронов в образец для получения изображения на основе характера их рассеяния. 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 твёрдыми материалами. Методы электронной визуализации слишком жёсткие для более деликатных живых образцов.
В отличие от них, оптические микроскопы работают при более низких энергиях, в естественных условиях и безопасны для применения к биологическим образцам. Но они не могут различить объекты, которые находятся за дифракционным пределом.
В 2014 году Нобелевскую премию по химии получили разработчики метода преодоления дифракционного предела. Микроскопия сверхвысокого разрешения работает путём освещения образца лазером на определённой частоте, которая, как известно, резонирует с интересующим объектом, например, с определённой молекулой. Когда эта молекула резонирует, она фактически объявляет о своём присутствии в материале. С помощью этой оптической манипуляции учёные могут визуализировать объекты размером до 10 нанометров, на уровне отдельной молекулы.
Дуань и Энглунд стремились разрешить ещё более мелкие объекты, объединив методы сверхвысокого разрешения со статистическим анализом и знаниями о материалах, которые часто упускались из виду.
«Одна вещь, которую игнорируют в оптических системах визуализации, — это физическая конфигурация вашей системы», — говорит Дуань. «Например, если вы хотите визуализировать дефекты в алмазной системе, эти дефекты могут находиться только в определённых положениях, поскольку они должны следовать сетке атомной алмазной структуры. В белках есть некоторые структуры, которые растут в организованной сетке, и их местоположение должно быть где-то вдоль этой физической сетки».
Исследователи подозревали, что если бы у них была достаточно точная карта атомной структуры материала (представьте себе модели молекул типа «шарики и палочки» в химическом классе), они могли бы использовать такие карты в качестве шаблона и попробовать множество различных ориентаций и углов вращения, чтобы найти наиболее близкое соответствие тому, что изначально визуализировано с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения.
«Никто никогда раньше не делал этого, чтобы включить физические ограничения или системную информацию в технику разрешения», — говорит Дуань.
Чтобы проверить свою идею, исследователи работали с образцом алмаза — кристалла, микроструктура которого хорошо изучена и напоминает организованную сетку или решётку повторяющихся атомов углерода. Исследователи намеренно удалили некоторые атомы углерода в решётке и заменили их атомами кремния, используя оборудование в MIT.nano. Их целью было определить точное местоположение этих атомов кремния.
Для этого они сначала использовали установленные методы сверхвысокого разрешения для исследования образца алмаза, используя лазеры, настроенные на определённые длины волн на частотах, известных как резонирующие с атомами кремния, но не с атомами углерода. С помощью этого метода исследователи получили изображения, на которых были видны атомы кремния, но только в виде равномерного размытия.
Затем команда применила DIGIT для дальнейшего уточнения изображения. Зная, что алмаз в целом имеет сетчатую конфигурацию атомов углерода, исследователи использовали эту конфигурацию в качестве карты или своего рода схемы рассадки и предположили, что любые атомы кремния, которые заняли место атомов углерода, должны находиться внутри сетки, имеющей известное расстояние между атомами.
«Поскольку атомы кремния заменяют атомы углерода в решётке, это означает, что они должны подчиняться некоторому целочисленному кратному расстоянию между атомами в кристаллической решётке, разделяющему любые два атома кремния», — говорит Энглунд. «Это предварительное знание отличает локализацию от добавления чисто аморфного материала».
Исследователи смоделировали множество вариантов ориентации и углов вращения алмазной решётки, наложенных на размытое изображение атомов, полученное с помощью метода сверхвысокого разрешения.
«Хитрость заключается в том, что в некоторых материалах атомы не распределены случайным образом — они располагаются в сетке внутри кристалла», — объясняет Дуань. «Мы использовали это предварительное знание, чтобы сделать снимок микроскопа более чётким. Как только мы учли эту «атомную сетку», размытость исчезла, и мы смогли определить точные позиции».
В конце концов, они обнаружили, что этот метод может точно определять местоположение отдельных атомов кремния в алмазной решётке с точностью до 0,178 ангстрема — это самое высокое разрешение среди всех оптических методов визуализации.
Команда разместила код DIGIT на GitHub, чтобы любой желающий мог применить его к своим оптическим измерениям, при условии, что их образец имеет хорошо изученную атомную структуру. Затем они надеются, что учёные начнут изучать гораздо более мелкие и детализированные особенности и процессы с помощью света.
«Это большой шаг — оптические микроскопы переходят в область атомного масштаба, что, как считалось, могли делать только электронные микроскопы или рентгеновские лучи», — говорит Дуань. «Это открывает совершенно новый способ изучения материалов и биологии».
super-resolution microscopy, scientists can see down to the scale of a single molecule.»,»And yet, individual atoms have still been too small for optical microscopes—which are much simpler and less expensive than super-resolution techniques—to distinguish, until now.»,»In an open-access paper published in Nature Communications, MIT scientists present a new computational method that enables optical microscopes to resolve individual atoms and zero in on their exact locations in a crystal structure.»,»The team’s new \»discrete grid imaging technique,\» or DIGIT, is a computational imaging approach that scientists can apply to optical data to calculate the most probable location of individual atoms based on a very important clue: the material’s known atomic configuration. As long as scientists have an idea of what a material’s physical atomic layout should be, they can use this layout as a sort of map to determine where specific atoms or features must be located.»,»\»It’s like you know there’s a seating chart,\» says lead author Yuqin \»Sophia\» Duan, a graduate student in MIT’s Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS). \»Previous methods could tell you what section an atom is in. But now we can take this seating chart as prior knowledge, and can pinpoint exactly which seat the atom is in.\»»,»With DIGIT, the team can now pinpoint individual atoms with a resolution of 0.178 angstroms. (One angstrom is one-tenth of a nanometer, which is less than half the width of a single atom). The technique enables optical microscopes to localize atomic-scale features in any material that has a known atomic pattern, such as crystalline materials or certain proteins with repeating molecular chains.»,»The team says the method could help guide the design of quantum devices, which often require placing individual atoms precisely within a crystal. Beyond quantum technologies, DIGIT can also provide new insights into how defects and impurities shape the behavior of advanced materials—from semiconductors to superconductors.»,»Duan’s co-authors at MIT are Qiushi Gu, Hanfeng Wang, Yong Hu, Kevin Chen, Matthew Trusheim, and EECS Professor Dirk Englund.»,»Scientists can image features smaller than a nanometer, and sometimes as small as a single atom, but not with optical microscopes. In these cases, they use transmission or scanning electron microscopes, which send high-energy beams of electrons into a sample to generate an image based on the pattern in which the electrons scatter. These electron-based methods produce highly detailed, near-atomic-scale images, but they require imaging in a vacuum and at high energies, and only work in ultrathin, synthetic, or solid-state materials. Electron-based imaging methods are too harsh for more delicate living specimens.»,»In contrast, optical microscopes work at lower energies, in ambient conditions, and are safe to apply to biological samples. But they cannot discern features past the diffraction limit. Essentially, a microscope is unable to see features that are smaller than half the wavelength of visible light (about 200 to 300 nanometers) that a microscope sends in to probe a sample. Atoms, then, have long eluded optical microscopes.»,»In 2014, however, the Nobel Prize in Chemistry was awarded to developers of a technique to overcome the diffraction limit. Super-resolution microscopy works by shining laser light on a sample at a specific frequency that is known to resonate with a feature of interest, such as a certain molecule. When that molecule resonates, it effectively announces its presence in the material. With this optical manipulation, scientists can visualize features as small as 10 nanometers, on the scale of a single molecule.»,»Duan and Englund looked to resolve even smaller features by combining super-resolution techniques with statistical analysis and knowledge of materials that has often been overlooked.»,»\»One thing that gets ignored in imaging optical systems is the physical configuration of your system,\» Duan says. \»For example, if you want to visualize defects in a diamond system, these defects can only be at certain positions, since they have to follow the grid of the atomic diamond structure. In proteins, there are some structures that grow in an organized grid, and their location must be somewhere along that physical grid.\»»,»The researchers suspected that if they had a reasonably accurate map of a material’s atomic structure (imagine the ball-and-stick models of molecules in a chemistry classroom), they might use such maps as a template and try out many different orientations and rotation angles to find the closest match to whatever features are initially visualized using super-resolution microscopy.»,»\»No one has ever done this before, to include the physical constraints or system information into the resolution technique,\» Duan says.»,»To test their idea, the researchers worked with a sample of diamond—a crystal whose microstructure is well-understood and resembles an organized grid, or lattice, of repeating carbon atoms. The researchers blindly knocked out some carbon atoms in the lattice and replaced them with silicon atoms using facilities at MIT.nano. Their goal was to identify and determine the precise locations of the errant silicon atoms.»,»To do so, they first used established techniques of super-resolution microscopy to probe the diamond sample, using lasers set to specific wavelengths at frequencies known to resonate with the silicon atoms but not the carbon atoms. With this technique, researchers produced images that depicted the silicon atoms, but only as a uniform blur.»,»The team then applied DIGIT to further resolve the picture. Knowing that diamond in general has a grid-like configuration of carbon atoms, the researchers took this configuration as a map, or seating chart of sorts, and assumed that any silicon atoms that took the place of a carbon atom must sit within the grid, which has a known spacing between atoms.»,»\»Because the silicon atoms are substituting carbon atoms in the lattice, that means they must obey some integer multiple of the atomic spacing of the crystal lattice, separating any two silicon atoms,\» Englund says. \»That prior knowledge makes the localization different than if you add a purely amorphous material.\»»,»The researchers essentially simulated many possibilities of orientations and rotation angles of the diamond lattice, superimposed on the blurry image of atoms that the super-resolution microscopy technique produced.»,»\»The trick is that, in certain materials, atoms aren’t spread out randomly—they sit on a grid inside a crystal,\» Duan explains. \»We used that prior knowledge to sharpen the microscope’s picture. Once we factored in that ‘atomic grid,\» the blurriness collapsed, and we could pinpoint exact positions.\»»,»In the end, they found the technique could pinpoint the location of individual silicon atoms within the diamond lattice, with a precision of 0.178 angstroms—the sharpest resolution of any optical-based imaging technique. The team has made the DIGIT code available on GitHub for anyone to apply to their optical measurements, provided their sample of interest has a well-understood atomic structure. Then, they hope that scientists will start to see much finer and detailed features and processes using light.»,»\»It’s a big step—it takes optical microscopes into the realm of atomic scale, something people thought only electron microscopes or X-rays could do,\» Duan says. \»That opens up a whole new way of studying materials and biology.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tMassachusetts Institute of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник