文/陳根

在2500年前，希臘哲學(xué)家們?cè)鴮?duì)物質(zhì)的組成問(wèn)題爭(zhēng)論不休。到了200年前，化學(xué)家們才在理論上發(fā)現(xiàn)了亞原子尺度上的結(jié)構(gòu)。為了看到亞原子細(xì)微的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家也在不斷努力。

從16世紀(jì)的光學(xué)顯微鏡發(fā)明以來(lái)，20世紀(jì)初的電子顯微鏡突破了光學(xué)顯微鏡固有的衍射極限(大約 200 納米)。其能夠輕易分辨出單個(gè)原子，但對(duì)于亞原子尺度的世界，這個(gè)分辨率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2018年，康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系(AEP)教授 David Muller與物理教授Sol Gruner、Veit Elser合作，開發(fā)出了當(dāng)時(shí)世界上具有最高成像分辨率的的電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器(EMPAD)。

電子顯微鏡之所以能夠獲得遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的分辨率，是因?yàn)槠潆娮硬ㄩL(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，但是電子顯微鏡的透鏡卻沒(méi)有這種相稱的精度。更為遺憾的是，電子顯微鏡的分辨率很大程度上取決于透鏡的數(shù)值孔徑。

在傳統(tǒng)相機(jī)中，數(shù)值孔徑是“f 值”(光圈值)的倒數(shù)，所以“f 值”越小，分辨率會(huì)越高。一般而言，一臺(tái)好相機(jī)的“f 值”大約稍小于 2，而電子顯微鏡的“f 值”大約在 100 左右。利用像差矯正器能將這個(gè)值降低到 40 左右，然而這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

電子顯微鏡的透鏡存在一個(gè)固有的缺陷稱為像差，多年以來(lái)科學(xué)家一直在研究各種各樣的像差校正器，就像給顯微鏡配一副眼鏡，希望能夠消除這種像差。然而，像差校正器的作用始終有限。為了校正多重像差，必須使用一系列的校正單元，就像在眼鏡上套眼鏡再套眼鏡一樣，這就讓整個(gè)儀器變的臃腫、笨拙。

電子顯微鏡分辨率的前世界紀(jì)錄——亞埃級(jí)分辨率，其是在利用像差校正透鏡以及 300 keV(30 萬(wàn)電子伏)超高電子束能量下獲得的。原子鍵的長(zhǎng)度大約在一到兩個(gè)埃左右，所以亞埃級(jí)分辨率能夠使科學(xué)家輕松的分辨單個(gè)原子的圖像。   

而利用 EMPAD 探測(cè)器，Muller 團(tuán)隊(duì)以單原子層厚度的單層二硫化鉬為觀測(cè)樣本，在不使用像差校正器的情況下，獲得了電子顯微鏡成像分辨率的最新世界紀(jì)錄——0.39 埃，這一突破打破了從前的分辨率紀(jì)錄。但由于技術(shù)原因，該機(jī)器只對(duì)幾個(gè)原子厚的超薄樣品起作用。

時(shí)隔三年，近日，康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)又研發(fā)了一種新的電子顯微鏡像素陣列檢測(cè)器，其使用更精細(xì)的三維重建算法將他們2018年的記錄提高了2倍。該顯微鏡分辨率十分精細(xì)，唯一的模糊就是來(lái)自樣品本身的原子的熱抖動(dòng)。從某種意義上來(lái)說(shuō)，新的顯微鏡又創(chuàng)造了一個(gè)新的記錄。

該顯微鏡解決了光束在樣品研究中的多重散射問(wèn)題，未來(lái)，有望為科學(xué)家們更精細(xì)化的事物研究開辟新的可能性。