史上分辨率最高的原子圖像，是如何誕生的？

2021年09月15日

環球科學

安娜·布勞斯坦（Anna巢栩嘉

　　請看這張史上分辨率最高的原子圖像。為了成功拍攝它，美國康奈爾大學的研究人員需要捕獲一個三維的晶體樣本，再將其放大1億倍。相比於他們在2018年創造的吉尼斯世界紀錄，這次的分辨率又提高了一倍以上。這種捕捉圖像的方式可以幫助科學家研發新型材料，從而設計更強大、更高效的手機、電腦等電子產品，甚至研發續航時間更長的電池。

ptychography）的技術。首先，他們需要向目標樣本發射每秒約10億個電子的電子束，電子束在發射時還會發生微小的移動，好讓電子以略微不同的角度撞擊樣本。電子有時會幹淨利落地從原子間穿過，有時會與原子發生碰撞並在內部反彈直到穿過樣本。美國康奈爾大學的物理學家戴維·馬勒（DavidMaiden，參與了電子疊層成像技術的研發，但並未參與這項研究）說：「現在已經能觀察原子堆了，這非常厲害，而且分辨率高得驚人。」

　　這項研究標志著電子顯微鏡領域又取得了一項重要的進展。常規電子顯微鏡發明於20世紀30年代初，它讓使用者可以看到比可見光波長還要短的物體（比如脊髓灰質炎病毒）。但是電子顯微鏡依然有它的局限性：要提高分辨率只能通過增加電子束的能量，這會使能量累加得過高，以至於損壞樣本。

　　疊層成像法是避開這個問題的一種方法，它僅記錄電子散射後的圖案，而不直接用電子成像。早在20世紀60年代就有科學家提出了相關理論，但是由於需要解決複雜的數學問題，還需要面對計算能力和探測器的限制，所以在過去幾十年中，這種方法都沒有投入實際應用。在一些早期的版本中，科學家只能使用可見光和X射線，而沒有使用對原子級物體成像所需的電子束。與此同時，科學家也在不斷改進電子顯微鏡。馬勒說：「你必須堅定地相信疊層成像，才會一直關注它。」

　　就在過去幾年裏，馬勒團隊開發出一種探測器，性能足以讓電子疊層技術完成成像。2018年，他們已經掌握了使用電子疊層成像重建二維樣本的技術，並且輸出了當時馬勒所說的「世界最高分辨率的圖像」（在當年一舉奪得吉尼斯世界紀錄）。他們使用了比其他成像方法更低能量的波長，以便更好地保存成像結果。

　　接下來需要挑戰的是更厚的樣本。在這種情況下，電子波在抵達探測器前會被許多原子彈開，這就是所謂的多重散射問題。研究人員發現，只要有足夠多的重疊斑點圖案和足夠強大的計算能力（根據馬勒說法，相當於「蠻力和無知」），就可以反向推算哪種原子分布可以產生這種特定的圖案。為此，他們對機器學習模型做了優化，使算法生成的圖像與實驗實際產生的圖像相匹配。

Gibson，並未參與這項研究）說：「我們已經擁有這些基礎技術了，它們正在那裏等著我們去做進一步的優化，這樣才能誕生下一代設備。」

Falcone，並未參與這項研究）表示，在電池領域就特別適合應用像電子疊層成像這樣的技術。因為在從化石燃料向可再生能源（包括風能和太陽能）轉變的過程中，制造出可以安全儲存龐大能量的電池顯得至關重要。法爾科內說：「成像技術對電池的改進非常重要，因為我們可以借此仔細觀察相關的化學反應。」

Thompson，並未參與這項研究）說：「對於任何新技術，總需要一些時間來讓廣大的研究人員嘗試，看看它是否真的可以用於實踐。」

　　法爾科內說：「當你發明了像高分辨率顯微鏡這樣的新工具時，你可能會驚訝於它到底能解決什麼問題。人們可能會用它來研究一些我們現在無法想象的對象，解決一些我們現在還不確定是否存在的問題。」