Рассказываю, как увидеть атомы, как американские исследователи получили доступ к тайнам мироздания, а также что ещё можно сделать, чтобы подглядеть за скрытой жизнью атомов в ещё более высоком разрешении.
Исследователи из Корнеллского университета получили самые четкие изображения атомов из когда-либо сделанных. Смотрите на картинку ниже: вы видите отдельные атомы! Не чудо ли? Удивительнее только прошлогоднее "фото чёрной дыры".
Картинка была получена, конечно же, не напрямую. То есть это тоже не фотография :) Но получена она была благодаря новым алгоритмам шумоподавления. Именно поэтому изображения имеют такое высокое разрешение. Увеличение в 100 миллионов раз! По словам команды разработчиков, они почти достигли максимально возможного предела.
Собственно, на картинке выше изображены атомы, составляющие кристалл вещества со сложным даже для меня названием ортоскандат празеодима (PrScO3). Химические элементы скандий и празеодим, честно говоря, нечасто становятся героями научных новостей. Ведь это достаточно тяжёлые элементы и их непросто получить.
На картинке выше атомы показаны как яркие пятна, окруженные красными «облаками». По мнению исследователей, картинка размывается из-за «покачивания» самих атомов внутри кристаллической решётки.
Как же учёным удалось получить столь высокое разрешение съёмки?
Во-первых, использовалась техника, известная как электронная птихография. Электроны, которыми бомбардируется мишень (тот самый кристалл ортоскандата), рассеиваются. Затем их ловит детектор. По полученным данным и строится "фотография". Также выполняется несколько сканирований разных областей, которые перекрываются между собой. А аппаратура фокусируется на том, какие изменения происходят в этих перекрывающихся областях между сканированиями. Это позволяет устройствам лучше определять форму объекта, создавшего узор (в данном случае атомов в кристалле).
Детектор электронов ловит широкие лучи (вспомните какое большое пятно у луча фонарика, когда вы светите им в лесную чащу). Этот широкий луч порождает размытие картинки, то есть то самое низкое разрешение. Чтобы в итоге получить более чёткое изображение, учёные создали ряд компьютерных алгоритмов. Они восстанавливают исходную картинку (условное пятно света, исходящее из вашего ручного фонарика).
В конечном итоге исследователи получают изображение с разрешением в пикометрах (!). Один пикометр - это одна тысячная нанометра. Так. Не все знают, что такое нанометр. Ок. Пикометр - это метр, поделённый на тысячу миллиардов частей. Напишите в комментариях, если так понятнее :)
"С помощью этих новых алгоритмов мы теперь можем скорректировать всё размытие нашего микроскопа до такой степени, что самым большим фактором размытия, который остаётся, станет колебание самих атомов", - говорит Дэвид Мюллер, ведущий автор исследования.
На всякий случай напомню, что кристалл не является чем-то твёрдым\жёстким на уровне атомов. Сами атомы постоянно колеблются в кристаллической решётке. Можно сказать, что они сидят в определённых позициях. Но вообще-то они колеблются около некоего среднего положения. Собственно, понятие температуры и есть мера этих самых колебаний атомов.
Если вы молодец и дочитали до этого места, то теперь вы понимаете, почему на картинке ниже мы видим яркие пятна атомов и размытые "облака" возле них.
Что же дальше? Разрешение можно повысить. Да, ещё есть куда стремиться. Уменьшить размытость картинки из-за "дрожания" атомов можно, использовав... более тяжёлые атомы. Они меньше колеблются. Ещё можно охладить образцы почти до абсолютного нуля, тогда колебаний станет значительно меньше. Но даже в этом случае квантовые флуктуации всё равно будут давать некоторое размытие.
Исследователи же говорят, что их алгоритмы можно будет использовать для более близкого наблюдения за компонентами квантового компьютера или для получения удивительных биологических изображений. Было бы здорово заглянуть внутрь живой клетки и "подсмотреть", что происходит не просто на уровне органелл, а изучить, как перестраиваются молекулы в ходе тех или иных биологических процессов. Впрочем, это я домысливаю, конечно. Всё-таки живая клетка - это не "неподвижный" кристалл.
Статья с описанием проведённой научной работы вышла в издании Science.
Если вам нравятся наши новости, подписывайтесь на наш канал и не забывайте ставить лайки. Эти нехитрые действия помогают нам в развитии и сборе средств для финансирования проекта.
Также наши сообщества есть в Telegram, twitter, ВК, Facebook, "Одноклассниках". Приходите, если вы бываете там чаще, чем на Дзене. Кроме того, там выходят наши короткие подборки новостей науки и технологий, о которых должен знать каждый.