Специалисты технологического института CEA (Франция) разработали инновационную технологию электронной голографической микроскопии, позволяющую визуализировать внутреннюю структуру различных материалов с атомным разрешением. В отличие от предыдущих методов, характеризующихся исключительно высоким уровнем основных помех, которые препятствовали анализу роли отдельных атомов в формировании кристаллической решетки, новая методика обеспечивает значительное снижение шума. Это делает данный метод высокоэффективным инструментом для физиков и специалистов в области материаловедения. Для достижения необходимой четкости изображения исследователи применили алгоритм объединения нескольких отдельных снимков в единое изображение с высокой разрешающей способностью.

Процесс объединения голографических изображений, на самом деле, гораздо более сложен, нежели может показаться с первого взгляда, ведь сами голографические изображения сложнее обычных изображений.

Помимо этого, ученым пришлось модернизировать и аппаратную часть их системы так, чтобы она стала способной к захвату последовательного ряда голограмм, которые могут быть затем объединены в одну при помощи соответствующего программного обеспечения.

Новый метод электронной голографической микроскопии был проверен на одном слое молибденита, дисульфида молибдена (MoS2). Полученные снимки позволили ученым определить электростатический потенциал в области, где отсутствует атом серы с разрешающей способностью менее 1 ангстрема.

Исследования материалов со столь высокой разрешающей способностью могут внести огромный вклад в дело разработки электронных устройств следующих поколений, давая исследователям возможность изучения работы этих устройств на самом маленьком уровне масштаба.

Помимо этого, исследователи получают возможность подробного изучения влияния дефектов кристаллической решетки, вызванных отсутствием или наличием лишних атомов в определенных местах, которые оказывают пагубное влияние на качество работы электронных устройств и наномеханизмов.

Перспективы развития

1. Улучшение аппаратной части. Дальнейшее совершенствование электронных микроскопов, включая стабилизацию источников питания, снижение вибраций и улучшение систем фокусировки, может приблизить практическое разрешение к теоретическому пределу. Теоретическая разрешающая способность в электронной микроскопии при использовании ускоряющего напряжения порядка 100 кВ составляет около 0,037 ангстрема.
2. Развитие алгоритмов обработки данных. Применение машинного обучения и искусственного интеллекта для анализа голографических данных может повысить качество реконструкции изображений, снизить уровень шумов и ускорить обработку данных. Нейросети уже используются для генерации голограмм из 2D-изображений или видеопоследовательностей, что делает технологию более доступной.
3. Комбинирование с другими методами. Интеграция электронной голографии с другими техниками, например с дифракционной фазовой микроскопией или оптической когерентной томографией, может расширить возможности метода и улучшить разрешение.
4. Использование новых источников электронов. Исследования в области квантовых вычислений и источников когерентных электронных пучков могут привести к созданию более стабильных и мощных источников, что повысит качество получаемых данных.
5. Применение в новых областях. Технология может найти применение в изучении квантовых материалов, разработке новых электронных устройств, исследовании биологических молекул и вирусов, а также в создании наноструктур с заданными свойствами.

Потенциальные применения

• Материаловедение. Изучение влияния дефектов кристаллической решётки (например, отсутствия или наличия лишних атомов) на свойства материалов, что важно для создания более надёжных электронных устройств и наномеханизмов.
• Нанотехнологии. Контроль структуры наноматериалов и наноустройств с высокой точностью.
• Биология и медицина. Визуализация биологических молекул и вирусов в объёме, что ускорит разработку новых лекарств. Возможность изучения живых клеток без меток, что позволит проводить долгосрочные исследования.
• Электроника. Разработка электронных устройств следующих поколений с пониманием их работы на атомном уровне.

Вызовы

Среди основных препятствий — сложность работы с электронными пучками, необходимость размещения оборудования в специальных условиях (вакуум, отсутствие магнитных полей), высокая стоимость изготовления и обслуживания приборов. Также требуется дальнейшее совершенствование методов регистрации и обработки голографических данных.

В целом, электронная голографическая микроскопия с атомным разрешением имеет огромный потенциал для трансформации многих научных и технологических областей, но её реализация потребует дальнейших исследований и инженерных решений.