एक अविश्वसनीय सूक्ष्मदर्शी परमाणुओं को मानक सटीकता के साथ देखता है

एक अविश्वसनीय सूक्ष्मदर्शी परमाणुओं को मानक सटीकता के साथ देखता है

यह छवि एक ऑर्थोडोंटिक प्रेजोडायमियम क्रिस्टल (PrScO3) के इलेक्ट्रॉन टेलीग्राफिक पुनर्निर्माण को दिखाती है, जिसे 100 मिलियन बार बढ़ाया गया है। क्रेडिट: कॉर्नेल विश्वविद्यालय

2018 में, कॉर्नेल शोधकर्ताओं ने पाइकोग्राफी नामक एक एल्गोरिथम-आधारित प्रक्रिया के संयोजन में एक उच्च-शक्ति वाला डिटेक्टर बनाया। विश्व रिकार्ड एक उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के संकल्प को तिगुना करके।

यह जितना सफल रहा, इस दृष्टिकोण में एक कमजोरी थी। मैंने केवल कुछ परमाणु मोटे अल्ट्रैथिन नमूनों के साथ काम किया। कुछ भी मोटा होने से इलेक्ट्रॉन अविभाज्य तरीके से बिखर जाएंगे।

अब सैमुअल बी एकर्ट में इंजीनियरिंग के प्रोफेसर डेविड मुलर के नेतृत्व में एक टीम ने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी पिक्सेल मैट्रिक्स डिटेक्टर (ईएमपीएडी) के साथ अपने गुणक कारक रिकॉर्ड को बेहतर बना दिया है जिसमें अधिक उन्नत 3 डी पुनर्निर्माण एल्गोरिदम शामिल हैं।

परिशुद्धता को बारीक रूप से ट्यून किया गया है, और शेष एकमात्र विकृति स्वयं परमाणुओं का थर्मल कंपन है।

समूह का शोध पत्र, “इलेक्ट्रॉन पाइकोग्राफी एचीव्स एटॉमिक-रिज़ॉल्यूशन लिमिट्स आइडेंटिफ़ाइड बाय रेटिनल वाइब्रेशन्स,” 20 मई को साइंस में प्रकाशित हुआ था। पेपर के मुख्य लेखक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता जेन चेन हैं।

“यह सिर्फ एक नया रिकॉर्ड स्थापित नहीं करता है,” मुलर ने कहा। वह एक ऐसी प्रणाली पर पहुंचे जो वास्तव में समाधान का अंतिम छोर होगा। मूल रूप से अब हम देख सकते हैं कि परमाणु बहुत आसान तरीके से कहाँ हैं। यह उन चीजों के लिए बहुत सी नई स्केलिंग संभावनाएं खोलता है जिन्हें हम बहुत लंबे समय से करना चाहते थे। यह एक लंबे समय से चली आ रही समस्या को भी हल करता है – नमूने में बीम के कई फैलाव को पूर्ववत करना, जिसे हंस हाउस ने 1928 में रखा था – जिसने हमें अतीत में ऐसा करने से रोका।”

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पाइकोग्राफी सामग्री के एक नमूने से अतिव्यापी बिखराव पैटर्न को स्कैन करके और अतिव्यापी क्षेत्र में परिवर्तन की तलाश में काम करती है।

“हम स्पॉट पैटर्न के लिए शिकार कर रहे हैं जो लेजर पॉइंटर पैटर्न के समान हैं जो बिल्लियों को समान रूप से मोहित करते हैं,” मुलर ने कहा। “यह देखकर कि पैटर्न कैसे बदलता है, हम उस वस्तु के आकार की गणना कर सकते हैं जो पैटर्न का कारण बनी।”

डिटेक्टर थोड़ा फोकस्ड है, किरण धुंधला, डेटा की व्यापक संभव सीमा प्राप्त करने के लिए। इस डेटा को तब जटिल एल्गोरिदम के माध्यम से पुनर्निर्मित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक माइक्रोमीटर (मीटर का एक ट्रिलियनवां) के संकल्प के साथ एक सुपर-रिज़ॉल्यूशन छवि होती है।

“इन नए एल्गोरिदम का उपयोग करके, अब हम अपने सभी माइक्रोस्कोप ब्लर को उस बिंदु तक सही कर सकते हैं जहां हमारे पास सबसे बड़ा छलावरण कारक है, यह तथ्य है कि परमाणु स्वयं दोलन करते हैं, क्योंकि एक सीमित तापमान पर परमाणुओं के साथ ऐसा होता है,” म्यूएलर ने कहा। परमाणुओं के कंपन का औसत वेग।”

शोधकर्ता कम उतार-चढ़ाव वाले भारी परमाणुओं से बने पदार्थ का उपयोग करके या नमूने को ठंडा करके अपने रिकॉर्ड को फिर से हरा सकते हैं। लेकिन शून्य तापमान पर भी, परमाणु अभी भी क्वांटम उतार-चढ़ाव का अनुभव करते हैं, इसलिए सुधार बहुत बड़ा नहीं होगा।

इलेक्ट्रॉन मॉड्यूलर इमेजिंग का यह नया रूप वैज्ञानिकों को तीनों आयामों में अलग-अलग परमाणुओं का पता लगाने में सक्षम करेगा, जब उन्हें अन्य इमेजिंग विधियों का उपयोग करके छुपाया जा सकता है। शोधकर्ता भी असामान्य विन्यास में अशुद्धता परमाणुओं को खोजने में सक्षम होंगे और एक-एक करके उनके कंपन के साथ उनकी तस्वीर खींचेंगे। यह अर्धचालक, उत्प्रेरक, और क्वांटम सामग्री की इमेजिंग के लिए विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है – जिसमें उपयोग किए जाने वाले भी शामिल हैं मात्रात्मक सांख्यिकी और उन सीमाओं पर परमाणुओं के विश्लेषण के लिए भी जहां पदार्थ एक साथ बंधे होते हैं।

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इमेजिंग पद्धति को कोशिकाओं, मोटे जैविक ऊतकों, या मस्तिष्क में सिनैप्टिक कनेक्शन पर भी लागू किया जा सकता है – जिसे म्यूएलर “मांग पर कनेक्शन” के रूप में संदर्भित करता है।

हालांकि यह विधि समय लेने वाली और कम्प्यूटेशनल रूप से मांग वाली है, लेकिन मशीन लर्निंग और तेजी से पता लगाने वाले उपकरणों के संयोजन के साथ अधिक शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग करके इसे अधिक कुशल बनाया जा सकता है।

“हम इसे हर उस चीज़ पर लागू करना चाहते हैं जो हम करते हैं,” म्यूएलर ने कहा, जो कॉर्नेल में नैनोस्केल साइंस के लिए कावली संस्थान का सह-निर्देशन करता है और माइक्रो सिस्टम साइंस एंड इंजीनियरिंग टास्क फोर्स (नेक्स्ट नैनो) की सह-अध्यक्षता करता है, जो कॉर्नेल के रेडिकल का हिस्सा है। सहयोग पहल। . “अब तक, हम सभी ने वास्तव में खराब चश्मा पहना है। और अब हमारे पास पहले से ही एक अच्छी जोड़ी है। आप पुराने चश्मे को उतारना, नया पहनना और हर समय उनका उपयोग क्यों नहीं करना चाहते?”

संदर्भ: “इलेक्ट्रॉन का इलेक्ट्रॉनिक लेखन नेटवर्क कंपन द्वारा निर्धारित परमाणु परिशुद्धता की सीमा को प्राप्त करता है” ज़ैन हेन, वेई जियांग, वेई सुन शाओ, मेगन ई। होल्ट्ज़, माइकल ओडस्टरसेल, मैनुअल जिज़ार-सिकीरोस, इसाबेल हैंकी, स्टीफन द्वारा गांशु, डैरिल जे। शालोम और डेविड ए मॉल, 21 मई, 2021, विज्ञान.
डीओआई: 10.1126 / Science.abg2533

सह-लेखकों में हर्बर्ट फिस्क जॉनसन में औद्योगिक रसायन विज्ञान के प्रोफेसर डेरिल श्लोम हैं; यी जियांग, पीएच.डी. 18 ‘वह अब Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एक रे-लाइन डेटा वैज्ञानिक हैं; पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता यू-सुन शाओ और मेगन होल्ट्ज़, पीएच.डी. ’17; और पॉल शेरर इंस्टीट्यूट और लाइबनिज इंस्टीट्यूट फॉर क्रिस्टल ग्रोथ के शोधकर्ता।

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इस शोध को नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा कॉर्नेल एक्सेलेरेटेड परसेप्शन, एनालिसिस और डिस्कवरी प्लेटफॉर्म फॉर इंटरफेस मैटेरियल्स (PARADIM) के माध्यम से समर्थन दिया गया था। शोधकर्ताओं को कॉर्नेल मैटेरियल्स रिसर्च सेंटर से भी फायदा हुआ, जो नेशनल साइंस फाउंडेशन के सेंटर फॉर मैटेरियल्स, साइंस एंड इंजीनियरिंग रिसर्च प्रोग्राम द्वारा समर्थित है।

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