Німецькі дослідники вдосконалили метод просвічувальної електронної мікроскопії, включивши в розгляд не тільки амплітуду, але і фазу хвильових функцій, що проходять через зразок електронів. Іншими словами, вчені записували не фотографію, а голограму зразка, а потім відновлювали за допомогою комп'ютерного моделювання його вихідну структуру. Це дозволило фізикам усунути спотворення і розгледіти локальну структуру зразка. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
Електронні мікроскопи бувають двох типів - скануючі (растрові) або просвічуючі. У растрових мікроскопах (РЕМ) зображення створюється так: на поверхні експериментального зразка фокусують тонкий електронний промінь, який вибиває з неї різні частинки (фотони, електрони або щось ще), потім всілякі датчики ловлять їх, і на підставі зібраних даних відновлюється вихідна картина. Віддалено це нагадує принцип роботи старих телевізорів з електронно-променевою трубкою, тільки в них вибиваються фотони ніхто не збирає. Принцип роботи просвічуючих мікроскопів (ПЕМ), навпаки, більше нагадує звичайні, оптичні мікроскопи: тут зразок просвічують електронним пучком, потім реєструють отримане зображення на фотоплівці або ПЗС-матриці і відновлюють по ньому вихідну структуру. Оскільки довжина хвилі у електрона значно менша, ніж у фотона, ПЕМ дозволяють отримати істотно більшу роздільну здатність - наприклад, з їх допомогою можна розгледіти окремі атоми.
На жаль, електронна мікроскопія, що просвічує, страждає від низки недоліків. Зображення, яке створюють ті, що проходять через зразок електрони, спотворюється через хроматичні аберації системи фокусуючих лінз, вібрацій установки, зовнішніх електромагнітних полів та інших негативних факторів. Щоб коректно врахувати ці спотворення, вчені будують чисельну модель, яка описує конкретну установку і конкретний зразок, і намагаються підібрати її параметри таким чином, щоб розрахована і вимірена картини збіглися. Це так званий метод прямого моделювання (forward modeling approach). На жаль, такий підхід ускладнюється тим, що вихідні параметри зразка - наприклад, нахил або товщина окремих його дрібних областей - спочатку невідомі, а параметри установки можуть змінюватися в ході експерименту - наприклад, через вібрації, повністю позбутися яких не можна. В результаті точність ПЕМ значно знижується порівняно з теоретичною межею.
Тим не менш, тут є одна лазівка. Зазвичай просвічуючі мікроскопи реєструють тільки амплітуду хвилі, але не її фазу (таку установку простіше побудувати). У той же час, фаза хвильової функції електронів дуже чутлива до локальних характеристик зразка, наприклад, до щільності заряду або намагніченості. Отже, якщо застосувати в ПЕМ методи електронної голографії, тобто записувати не тільки амплітуду, але і фазу просвічуючих хвиль, можна буде значно збільшити точність вимірювань.
Група вчених під керівництвом Флоріана Вінклера (Florian Winkler) успішно реалізувала цей спосіб на практиці. Для цього вони просвічували тонку (товщиною близько чотирьох нанометрів) «чешуйку» з диселеніда вольфрама WSe2 пучком електронів, який розділявся і потім знову рекомбінував, щоб створити інтерференційну картину (off-axis electron holography). Робоча напруга мікроскопа становила приблизно 80 кіловольт. Потім дослідники відновлювали вихідну структуру зразка за допомогою написаної ними програми.
Для зручності програма розділяла різні вклади в амплітуду і фазу коефіцієнтів Фур'є, а для оцінки правдоподібності симуляції використовувала спеціальну «функцію вартості», яка дорівнювала нулю за умови повного збігу розрахованої і виміряної картин. Щоб прискорити розрахунки, вчені використовували симплекс-метод, в якому багатовимірний тетраедр (симплекс) все сильніше і сильніше «стягується» навколо точки мінімуму «функції вартості». Розсіювальний потенціал атомів зразка розраховувався за допомогою теорії функціоналу щільності (DFT), а потім використовувався для знаходження хвильових функцій електронів, що пролетіли через нього. В цілому, на обраховування області розміром 2 ст.12 нанометра у стандартного комп'ютерного процесора йшло близько двох з половиною хвилин.
У результаті вченим вдалося відновити вихідну структуру зразка, тобто підібрати його параметри таким чином, щоб розрахована дифракційна картина практично в точності збіглася з реальною. Важливо, що крім загальних для всієї «лусочки» параметрів, таких як поглинаюча здатність, дослідникам також вдалося розгледіти її локальну структуру - наприклад, помітити вигини «чешуйки», які виражалися в зміні фази хвильових функцій її атомів. Крім того, за допомогою розробленого методу вченим вдалося побачити і усунути вплив абберацій на кінцеве зображення.
Варто зауважити, що вчені і раніше намагалися використовувати електронну голографію, щоб поліпшити роботу ПЕМ, однак у всіх попередніх спробах результати чисельного моделювання розходилися зі спостережуваною картиною. Цього разу вченим вперше вдалося домогтися практично ідеального збігу моделі та експерименту.
У листопаді минулого року група хіміків зі США, Італії та Нідерландів вперше змогла записати злиття двох органічних нанокапель на відео, використовуючи методи просвічувальної електронної мікроскопії. Також ми писали, як електронні мікроскопи, що просвічують, застосовують для визначення ізотопного розподілу хімічних елементів у матеріалі або для вимірювання спинового стану окремих атомів заліза або хрому, вбудованих у графенову решітку.
Прочитати про те, як конструктор-аматор Олексій Брагін відновлює в практично домашніх умовах інший тип електронного мікроскопа - скануючий електронний мікроскоп, - можна в циклі блогів «Лабораторія в гаражі».