Что такое атом?
Физики из Корнеллского университета в США получили фотографии отдельных атомов с рекордным разрешением — меньше половины ангстрема (0,39 Å). Предыдущий рекорд разрешения больше вдвое — 0,98 Å.
Men Today
Теги:
Нетленка
фотография
Физика
Магнитное поле
Electron
Электронные микроскопы, позволяющие делать снимки отдельных атомов, существуют уже полвека. Длина волны видимого света больше диаметра среднего атома, поэтому увидеть атом с помощью даже самого мощного светового микроскопа нельзя. Длина волны электрона гораздо меньше, и электронные микроскопы, позволяющие делать снимки отдельных атомов, существуют уже полвека.
Аналогом линз, фокусирующих изображение, в электронных микроскопах выступает магнитное поле, но его колебания служат источником искажений; эти искажения поддаются корректировке дополнительными устройствами управления колебаниями напряженности магнитного поля, но с ними сложность конструкции микроскопа возрастает.
В прошлом году физики из Корнеллского университета предложили устройство electron microscope pixel array detector (EMPAD), заменяющее сложную систему генераторов, фокусирующих входящие электроны. Устройство представляет собой матрицу — 128х128 пикселей, чувствительных к отдельным электронам. Каждый пиксель регистрирует угол отражения электрона; зная его, ученые при помощи техники птайкографии реконструируют характеристики электронов, включая координаты точки, откуда он был выпущен.
Затем ученые закрепили на подвижной балке лист двумерного материала — сульфида молибдена MoS2, и выпустили пучки электронов, поворачивая балку под разными углами к источнику электронов. С помощью EMPAD и птайкографии ученые определили расстояния между отдельными атомами молибдена и получили изображение с рекордным разрешением — 0,39 Å. «В сущности мы создали самую маленькую в мире линейку», — поясняет Сол Грюнер (Sol Gruner), один из авторов эксперимента.
Кроме рекордного разрешения у этого метода есть еще одно преимущество: он требует относительно низкой энергии электронов. Самые мощные из современных электронных микроскопов используют пучки электронов с энергией до 300кЭв и тоже дают субангстемное неплохое разрешение — до 0,5 Å, но электроны такой высокой энергии годятся только для исследования очень прочных материалов. Двумерные материалы и биомолекулы разрушаются под действием таких высокоэнергетических частиц, поэтому возможность использовать электроны на порядок меньшей энергии (80 кЭв в эксперименте физиков из Корнелльского университета) очень ценно.
Описание эксперимента опубликовано в журнале Nature.
Отдельный атом сняли на обычную камеру
Британский физик смог снять на обычную зеркальную камеру излучение иона стронция, зафиксированного в квадрупольной ионной ловушке.
Эта фотография победила на конкурсе научной фотографии британского Совета по инженерным и физическим научным исследованиям.
Технология удержания отдельных заряженных ионов не нова и разные реализации удержания используются уже несколько десятилетий. В 1989 году Вольфгант Пауль и Ханс Демельт получили Нобелевскую премию по физике за разработку метода удержания отдельных ионов. Британский физик Дэвид Надлингер (David Nadlinger) из Оксфордского университета использовал для создания фотографии именно квадрупольную ионную ловушку, которую также называют ловушкой Пауля, в честь разработавшего ее немецкого физика. Она состоит из набора электродов, часть из которых создает постоянное электрическое поле. Другая часть постоянно меняет направление вектора напряженности поля на противоположное с высокой скоростью. Несмотря на то, что в каждый конкретный момент времени поле тянет частицу в определенную сторону, из-за постоянного изменения направленности эта сила усредняется и не дает заряженной частице вылететь из ловушки.
Поскольку из-за дифракционного предела увидеть отдельный атом в оптический микроскоп нельзя, ученому пришлось воспользоваться не отраженным светом, а собственным излучением атома. Для этого он использовал лазерное охлаждение, которое часто применяется для изучения поведения атомов при температурах, близких к абсолютному нулю. В процессе охлаждения частица облучается лазером со специально подобранной частотой. Фотон этого излучения поглощается атомом, который через небольшое время также излучает фотон, но с большей частотой. За счет этого излученный атомом фотон забирает часть его тепловой энергии движения. Если облучить атом не одним, а множеством импульсов, таким методом можно понизить его температуру до тысячных долей Кельвина.
Сама по себе эта техника не нова, и ее много раз использовали разные ученые, но обычно для регистрации используются специальные точные камеры. Британский физик показал, что для регистрации самого факта излучения атома вполне достаточно обычного фотоаппарата.
Он использовал камеру Canon 5D Mk II с портретным объективом и двумя макрокольцами, уменьшающими минимальную дистанцию фокусировки. Во время съемки в ловушке находился положительно заряженный ион стронция, облучаемый фиолетовым светом.
Горизонтальные электроды установки удалены примерно на два миллиметра друг от друга. На фотографии вполне можно различить яркую точку между ними. Такая большая точка обусловлена низким (по сравнению с размером атома) разрешением камеры, ее удаленностью от рабочей зоны ловушки, остаточным колебательным движением атома, а также длинной выдержкой, на которой был сделан снимок.
В 2016 году итальянская компания превратила обычную зеркальную камеру в полноценный инструмент для любительской астрофотографии. Для этого за матрицей камеры установили холодильную установку, которая постоянно охлаждает матрицу и значительно снижает уровень теплового шума, мешающего различать объекты на фотографии.
Григорий Копиев
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Это фотография атомов с самым высоким разрешением в истории
В 2018 году исследователи из Корнелла построили мощный детектор, который установил мировой рекорд для современного электронного микроскопа с самым высоким разрешением, который на тот момент утроил предыдущий разрешение, которое он мог захватить. Теперь они побили собственный рекорд в два раза.
Дэвид Натт из Корнельского университета пишет, что, каким бы успешным ни был первый подход Дэвида Мюллера — профессора инженерии Сэмюэля Б. Эккерта — в 2018 году, в нем были недостатки. Он работал только с «ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов». Если бы он был толще, электроны разлетелись бы так, что их невозможно было бы распутать.
Однако 20 марта 2021 года Мюллер снова возглавил команду, которая побила собственный рекорд с помощью того, что описывается как детектор массива пикселей электронного микроскопа (EMPAD), который имеет еще более сложные алгоритмы трехмерной реконструкции и чье разрешение настолько высокое.
Настроено так, что размытие, видимое на готовом изображении, связано только с движением самих атомов.
Полученная фотография (вверху) представляет собой электронно-психографическую реконструкцию кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенную в 100 миллионов раз. Результаты этого эксперимента опубликованы в полном отчете здесь.
«Это не просто новый рекорд, — говорит Мюллер. «Он достиг режима, который фактически станет окончательным пределом для разрешения. По сути, теперь мы можем выяснить, где находятся атомы, очень простым способом. Это открывает множество новых возможностей измерения вещей, которые мы хотели сделать в течение очень долгого времени. Это также решает давнюю проблему — устранение многократного рассеяния луча в образце, которое Ганс Бете изложил в 1928 году, — которая мешала нам делать это в прошлом».
Микроскоп захватывает изображения с помощью вычислительного метода микроскопического изображения, называемого птихографией. Он генерирует изображения, обрабатывая несколько когерентных интерференционных картин, рассеянных от определенного объекта, и ищет изменения в перекрывающихся областях.
Увидев, как меняется узор, исследователи смогли вычислить форму объекта, вызвавшего узор.
«С помощью этих новых алгоритмов мы теперь можем скорректировать все размытие нашего микроскопа до такой степени, что самый большой фактор размытия, который у нас остался, — это тот факт, что сами атомы колеблются, потому что это то, что происходит с атомами в конечная температура», — продолжает Мюллер. «Когда мы говорим о температуре, то, что мы на самом деле измеряем, — это средняя скорость, с которой колеблются атомы».
Возможно, исследователи смогут снова побить свой собственный мировой рекорд, используя материал, состоящий из более тяжелых атомов, так как они меньше колеблются, или охладив образец, что также уменьшит движение атомов. Теоретически атомы перестают двигаться при абсолютном нуле, но достичь такой температуры пока невозможно. В результате любое понижение температуры, которого смогли достичь исследователи, может не уменьшить движение атомов в заметной степени.
«Мы хотим применять это ко всему, что мы делаем», — говорит Мюллер.
«До сих пор мы все носили очень плохие очки. И теперь у нас на самом деле есть действительно хорошая пара. Почему бы тебе не снять старые очки, надеть новые и пользоваться ими постоянно?»
Фото предоставлено: Изображение заголовка Корнельского университета.
Вот фотография одного атома
Карманные достойные истории, которые подпитывают ваш разум
Вы видите это? Он крошечный, но его видно.
Popular Mechanics- Avery Thompson
Читайте, когда у вас есть свободное время.
Еще от Popular Mechanics
- Почему «Рождественская комета» зеленая?
- Черные дыры не могут быть черными. Или даже дыры.
- Все состояния материи, о существовании которых вы не знали
Фото Дэвида Надлингера — Оксфордский университет
Атомы действительно маленькие.:quality(90)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/1191300/1191316/original.jpg)
На самом деле настолько мал, что его невозможно увидеть невооруженным глазом даже в самый мощный микроскоп. По крайней мере, раньше это было правдой.
Теперь на фотографии показан одиночный атом, плавающий в электрическом поле, и он достаточно велик, чтобы его можно было увидеть без какого-либо микроскопа.
Фотография, сделанная Дэвидом Надлингером под названием «Один атом в ионной ловушке», стала победителем конкурса научной фотографии Совета по исследованиям в области инженерных и физических наук. На фотографии изображен одиночный атом стронция, помещенный в сильное электрическое поле, облучаемый лазерами, которые заставляют его излучать свет.
Фото Дэвида Надлингера — Оксфордский университет
Несмотря на то, что атом виден, его все же нелегко увидеть. Если вы внимательно посмотрите в центр фотографии, то увидите тусклую голубую точку. Это атом стронция, освещенный сине-фиолетовым лазером.
Этот конкретный аппарат использует стронций из-за его размера: у стронция 38 протонов, а диаметр атома стронция составляет несколько миллионных долей миллиметра.
На атом стронция на фотографии воздействует мощный лазер, в результате чего электроны, вращающиеся вокруг атома стронция, становятся более возбужденными. Иногда эти заряженные электроны испускают свет. При наличии достаточного количества возбужденных электронов, испускающих достаточно света, обычная камера может запечатлеть атом.
Тем не менее, это не означает, что вы сможете увидеть атом невооруженным глазом. Это изображение снято с длинной выдержкой, что означает, что даже со всем этим лазерным светом оно все еще слишком слабое, чтобы его можно было снять без оборудования. Но, учитывая, насколько невероятно малы атомы, глядя на эту фотографию, вы, вероятно, приблизитесь к ней.
Как это было? Сохраняйте истории, которые вам нравятся, и никогда не теряйте их.
Этот пост изначально появился на Popular Mechanics и был опубликован 16 ноября 2020 г.