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掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡 Scanning Tunneling Microscope 縮寫(xiě)為STM。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個(gè)原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。

此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測(cè)量工具又是加工工具。

1億倍分辨率與再次超越

早在2018年，康奈爾大學(xué)的研究人員制造了一款高性能的STM隧道掃描探測(cè)器，與最新算法驅(qū)動(dòng)的所謂的typchography相結(jié)合，將最先進(jìn)的電子顯微鏡的分辨率提高了三倍，達(dá)到1億倍的放大率創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

但是盡管取得了這樣的成功，但這種方法有一個(gè)弱點(diǎn)。它僅適用于幾個(gè)原子厚的超薄樣品。任何較厚的物質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致電子以無(wú)法解開(kāi)的方式散射而無(wú)法成像。

近日，由大衛(wèi)·穆勒（Samuel B. Eckert）的工程學(xué)教授再次領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用電子顯微鏡像素陣列檢測(cè)器（EMPAD）結(jié)合了更復(fù)雜的3D重建算法，將自己在2018年創(chuàng)造的記錄又提高了兩倍。

成像分辨率是如此精微，剩下的唯一模糊是原子本身的熱抖動(dòng)！

最新放大一億倍的原子圖像

“這不僅創(chuàng)造了新紀(jì)錄，”穆勒說(shuō)?！耙呀?jīng)達(dá)到了一種有效地成為分辨率極限的機(jī)制。我們現(xiàn)在基本上可以很容易地弄清楚原子的位置。這為我們想要的事物開(kāi)辟了許多新的測(cè)量可能性它可以解決很長(zhǎng)一段時(shí)間的問(wèn)題-消除光束在樣品中的多重散射（Hans Bethe在1928年提出），這是我們過(guò)去無(wú)法很好解決的問(wèn)題?！?/p>

氣相色譜法的工作原理是掃描材料樣品中重疊的散射圖案，并尋找重疊區(qū)域中的變化。穆勒說(shuō)：“我們正在追尋圖案的光點(diǎn)，這很像你的寵物貓對(duì)激光筆的光點(diǎn)著迷一樣！” “通過(guò)查看圖案的變化，我們能夠計(jì)算出引起圖案的物體的形狀。”檢測(cè)器略微散焦，使光束模糊，以捕獲最大范圍的數(shù)據(jù)。然后，通過(guò)復(fù)雜的算法重建該數(shù)據(jù)，從而獲得具有皮米（萬(wàn)億分之一米）精度的超高精度圖像。

“通過(guò)這些新算法，我們現(xiàn)在能夠校正顯微鏡的所有模糊，以至于我們剩下的最大模糊因子是原子本身會(huì)振動(dòng)的事實(shí)，因?yàn)檫@是原子在絕對(duì)零度之上就會(huì)發(fā)生的情況”，穆勒說(shuō)?！爱?dāng)我們談?wù)摐囟鹊母叩蜁r(shí)，我們實(shí)際上是在測(cè)量的是原子振動(dòng)多少的平均強(qiáng)度。”

左側(cè)的掃描透射電子顯微鏡通過(guò)樣品發(fā)射窄束電子，來(lái)回掃描以產(chǎn)生圖像。右側(cè)的像素陣列檢測(cè)器讀取著陸點(diǎn)，并從該著陸點(diǎn)讀取每個(gè)電子的散射角，從而提供有關(guān)樣品原子結(jié)構(gòu)的信息。

研究人員可能通過(guò)使用一種由較重的原子組成的材料（其振動(dòng)較少）或冷卻樣品來(lái)再次刷新他們的記錄。但是即使在絕對(duì)零度下，原子仍然具有量子漲落，因此改善不會(huì)很大。

這種最新形式的電子譜圖分析技術(shù)使科學(xué)家可以在其他三個(gè)成像方法中隱藏單個(gè)原子的情況下，在所有三個(gè)維度上定位單個(gè)原子。研究人員還將能夠一次發(fā)現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)原子，并對(duì)它們及其振動(dòng)進(jìn)行成像。這對(duì)成像半導(dǎo)體，催化劑和量子材料（包括用于量子計(jì)算的那些材料）以及分析將材料連接在一起的邊界處的原子特別有用。

這種成像方法也可以應(yīng)用于厚厚的生物細(xì)胞或組織，甚至可以應(yīng)用于大腦中的突觸連接，穆勒稱之為“按需連接基因組學(xué)”。盡管該方法既耗時(shí)又計(jì)算量大，但可以使用功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和更快的檢測(cè)器來(lái)使其效率更高。

“我們希望將其應(yīng)用到我們所做的一切中，”穆勒說(shuō)，他是康奈爾大學(xué)納米科學(xué)部Kavli研究所的共同負(fù)責(zé)人，并且是康奈爾大學(xué)激進(jìn)協(xié)作計(jì)劃的一部分，納米科學(xué)與微系統(tǒng)工程（NEXT Nano）工作組的聯(lián)合主席?！爸钡浆F(xiàn)在，我們所有人都一直戴著非常糟糕的眼鏡?，F(xiàn)在我們實(shí)際上已經(jīng)擁有了一副非常好的眼鏡。為什么您不想要摘下舊眼鏡，戴上新眼鏡并一直使用呢？ ”

梵觀點(diǎn)：大千世界，一個(gè)原子，也是一個(gè)世界。

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