图1 典型的叠层成像图像（图片来源：wikipedia）
看看有史以来分辨率最高的原子图像：康奈尔大学的研究人员从一个三维晶体中获取了一个样本，并将其放大了1亿倍，其分辨率比同一批科学家赢得2018年吉尼斯世界纪录的图像分辨率高出一倍。他们的工作结果有助于研发新材料，用于设计功能更强大、更高效的手机、电脑和其他电子产品。
研究人员使用一种叫做电子叠层成像的技术获得了该图像。该技术会向目标材料以大约每秒十亿个的速率发射一束电子。在发射电子之后，电子束以无限小的速率运动，因此他们每次都会以相似的角度击中样品—有时候电子会不留痕迹地通过，而有时候它们会击中原子，并且在离开样品时在其内部四处弹射。康奈尔大学的物理学家David Muller的团队最近在进行这项研究，Muller把这项技术比作与站在黑暗中的对手玩躲避球。躲避球是电子，而目标是单个原子。尽管Muller看不到具体目标，但依靠先进的探测器，他可以看到“躲避球”的最终位置。根据数十亿电子生成的斑点图案，机器学习算法可以计算出原子在样品中的位置以及它们可能的形状。
在过去，电子叠层成像法只被用于对极其扁平的样品进行成像：即那些仅仅是一个到几个原子厚的样品。而发表在《科学》杂志上的这项新研究显示，现在这种技术能捕捉几十到几百个原子厚的多层样品。这使得该技术与材料学家们的研究更具相关性，因为他们通常需要研究厚度约为30-50纳米的样品的各种性质。（这个范围比你的指甲在一分钟内长出的长度还要小，但比过去电子叠层成像法所能成像的厚度大很多倍）。“他们现在可以对原子堆进行观察了，这太不可思议了。”来自英国谢菲尔德大学的工程师Andrew Maiden说道，他帮助开发了叠层成像技术，但没有参与这项新研究，“分辨率实在是令人吃惊。”
这项研究标志着电子显微技术领域的一个重要进展。标准电子显微镜发明于20世纪30年代初，它使人们有可能看到脊髓灰质炎病毒（比可见光的波长还小）这样的物体。但是电子显微镜有一个局限：提高其分辨率需要增大电子束的能量—最终所需的能量将会变得非常大，以至于会对样品造成损坏。避免这个问题的方法之一是叠层成像技术，研究人员在20世纪60年代从理论上提出了这种方法，但由于探测器和计算能力的限制，以及需要的复杂数学运算，该技术在几十年后才被付诸实践。早期的版本只使用可见光和X射线，并没有使用成像原子大小的物体所需的电子束。与此同时，科学家们不断改进电子显微镜，这些显微镜功能十分强大，以至于电子叠层成像技术无法跟上。Muller说：“你必须是一个叠层成像技术的纯粹信仰者，才会把精力倾注在它上面。”
图2 电子显微镜（图片来源：unsplash）
也就是在过去的这几年里，Muller和他的团队才开发出了一个探测器，能够满足电子叠层成像技术的实验应用。到2018年，他们研究出了如何用这种技术重建二维样本，生成“世界上分辨率最高的图像”，Muller说，此举打破了吉尼斯世界纪录，而且研究人员用比其他方法更低的能量的激发波长做到了这一点，使他们能够更好地保护样品。
然而，较厚的样品带来了多种挑战。在检测之前，电子波并不是只反弹一次，而是在三维样品的原子周围来回反弹。“你知道它在哪里结束，但你不知道它在材料中经过了哪些路径”，Muller说。这种反弹现象被称为“多重散射问题”，他和他的团队在过去几年里一直尝试解决这一难题。有了足够多的重叠斑点图案和足够强大的计算能力，他们发现他们可以往回探索，以确定何种原子排布会产生特定的图案。研究人员通过对单个模型的微调来进行研究，直到它产生的斑点图案与实验产生的图案相匹配。Muller表示，多重散射问题的解决是一项重大进展。当提到他团队的技术能以高分辨率捕捉到300个原子厚或者更小的样品时，他强调：“我们可以比其他任何人做得更好，并且可以比别人好2到4倍。”
这种高分辨率成像技术对于开发下一代电子设备至关重要。例如，研究人员正在寻求对硅基计算机芯片的超越，以期研究出更高效的半导体。为了实现这一目标，工程师们需要从原子层面上了解他们的研究对象，这意味着他们需要利用到诸如电子叠层成像这样的技术。“我们拥有这些工具，它们能够帮我们优化那些可能用于构建下一代设备的新材料”，佛罗里达A&M大学—佛罗里达州立大学工程学院院长. Murray Gibson（没有参与这项新的研究）这样说。“如果没有这些工具，我们不可能做到这一点。”
电池是电子叠层成像技术等成像技术的一个极有前途的应用领域，来自加州大学伯克利分校的物理学家Roger Falcone（也没有参与这项研究）说道。他问道：“我们应该如何设计电池的结构，才能使它们储存大量的能量，并且仍然是安全的？” 这是一个关键的问题，特别是对于从化石燃料向可再生能源（包括风能和太阳能）的转变。Falcone说：“成像技术对提升电池性能非常重要，因为我们可以详细地观察到化学反应。”
图3 智能手机和内部的电池结构（图片来源：unsplash）
但接下来仍然有很长的一段路要走。想要电子叠层成像技术为你的手机或者笔记本电脑带来新的突破，它必须做到的不仅仅是拍照，还要能够对材料中的单个原子进行精确定位。尽管研究人员已经从理论上证明了该技术能够做到这一点，但还缺少相应的实验验证。来自IBM Research–Almaden公司材料分析和表征部的前经理Leslie Thompson（没有参与这项新研究）说：“对于任何一项新技术，研究人员总是需要花一点时间来尝试，以验证它是否能够投入真正的实际应用。”
“等到某天你发明出了像高分辨率显微镜这样的新工具的时候，你往往会对它能够解决的问题感到惊讶”，Falcone补充说，“人们总是会研究我们现在无法想象的东西，来解决一个我们甚至还未发现的问题。”
撰文：Anna Blaustei，科学记者，目前正在MIT攻读科学写作的硕士学位。
翻译：张楚
审校：郭晓
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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