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. На снимке ниже видны атомы серы и место, где одного такого атома не хватает (указано стрелочкой).
David A. Muller et al. Nature, 2018.
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.
