Die Auflösung der Atombilder wurde erneut aktualisiert. Steht auch die mikroskopische Welt kurz vor dem Eintritt in das Zeitalter der hochauflösenden Auflösung?

Rastertunnelmikroskop

Rastertunnelmikroskop wird mit STM abgekürzt. Als Werkzeug der Rasterkraftmikroskopie ermöglicht das Rastertunnelmikroskop den Wissenschaftlern die Beobachtung und Lokalisierung einzelner Atome mit einer wesentlich höheren Auflösung als sein Pendant, das Rasterkraftmikroskop.

Darüber hinaus kann das Rastertunnelmikroskop Atome mithilfe der Sondenspitze bei niedrigen Temperaturen (4 K) präzise manipulieren, sodass es sowohl ein wichtiges Messinstrument als auch ein Verarbeitungswerkzeug in der Nanotechnologie ist.

100 Millionen Mal höhere Auflösung und mehr

Bereits 2018 entwickelten Forscher der Cornell University einen hochleistungsfähigen STM-Tunnel-Scanning-Detektor, kombiniert mit der neuesten algorithmusgesteuerten sogenannten Typchografie, der die Auflösung modernster Elektronenmikroskope verdreifachte und einen Weltrekord von 100-millionenfacher Vergrößerung erreichte.

Doch trotz dieses Erfolgs hat dieser Ansatz eine Schwäche. Es ist nur auf ultradünne Proben mit einer Dicke von wenigen Atomen anwendbar. Bei dickerem Material würden die Elektronen so gestreut, dass sie nicht mehr entwirrt und abgebildet werden könnten.

Nun hat ein Team, das erneut von David Mueller, dem Samuel B. Eckert Professor of Engineering, geleitet wird, seinen eigenen Rekord aus dem Jahr 2018 verdreifacht, indem es einen Elektronenmikroskop-Pixel-Array-Detektor (EMPAD) in Kombination mit einem ausgefeilteren 3D-Rekonstruktionsalgorithmus verwendete.

Die Bildauflösung ist so fein, dass die einzige verbleibende Unschärfe die thermische Schwingung der Atome selbst ist!

Das neueste Atombild 100 Millionen Mal vergrößert

„Das stellt nicht nur einen neuen Rekord dar“, sagte Müller. „Wir haben einen Bereich erreicht, der praktisch die Auflösungsgrenze darstellt. Wir können jetzt im Grunde die Positionen von Atomen ziemlich einfach bestimmen. Das eröffnet uns viele neue Messmöglichkeiten für Dinge, die wir schon immer tun wollten. Es löst ein Problem, das es schon lange gibt – die Eliminierung der Mehrfachstreuung eines Lichtstrahls in einer Probe (vorgeschlagen von Hans Bethe im Jahr 1928), ein Problem, das wir in der Vergangenheit nicht sehr gut lösen konnten.“

Bei der Gaschromatographie werden überlappende Streumuster in einer Materialprobe gescannt und nach Änderungen in den überlappenden Bereichen gesucht. „Wir jagen dem Muster der Lichtpunkte hinterher, so wie Ihre Katze vom Punkt eines Laserpointers fasziniert ist!“ sagte Müller. „Indem wir beobachten, wie sich das Muster verändert, können wir die Form des Objekts herausfinden, das es verursacht.“ Um ein Maximum an Daten zu erfassen, sind die Detektoren leicht defokussiert, wodurch der Strahl unscharf wird. Diese Daten werden dann mithilfe komplexer Algorithmen rekonstruiert, wodurch hochpräzise Bilder mit einer Genauigkeit im Pikometerbereich (Billionstel Meter) entstehen.

„Mit diesen neuen Algorithmen sind wir nun in der Lage, die gesamte Unschärfe des Mikroskops so weit zu korrigieren, dass der größte verbleibende Unschärfefaktor die Tatsache ist, dass die Atome selbst vibrieren, denn das passiert mit Atomen oberhalb des absoluten Nullpunkts“, sagte Müller. „Wenn wir über hohe und niedrige Temperaturen sprechen, messen wir eigentlich die durchschnittliche Stärke der Atomschwingungen.“

Das Rastertransmissionselektronenmikroskop auf der linken Seite sendet einen schmalen Elektronenstrahl durch eine Probe und scannt ihn hin und her, um ein Bild zu erzeugen. Der Pixelarray-Detektor auf der rechten Seite liest den Landeort und von diesem Landeort aus den Streuwinkel jedes Elektrons und liefert so Informationen über die atomare Struktur der Probe.

Möglicherweise könnten die Forscher ihren Rekord noch einmal brechen, indem sie ein Material aus schwereren Atomen verwenden (die weniger vibrieren) oder indem sie die Proben kühlen. Aber selbst beim absoluten Nullpunkt unterliegen Atome noch immer Quantenfluktuationen, sodass die Verbesserung nicht enorm sein wird.

Diese neueste Form der Elektronenspektroskopie ermöglicht es Wissenschaftlern, einzelne Atome in allen drei Dimensionen zu lokalisieren, wenn diese mit anderen bildgebenden Verfahren nicht zu erkennen sind. Darüber hinaus können Forscher Fremdatome in ungewöhnlichen Strukturen einzeln erkennen und sie und ihre Schwingungen abbilden. Dies ist besonders nützlich für die Abbildung von Halbleitern, Katalysatoren und Quantenmaterialien, einschließlich jener, die in der Quanteninformatik verwendet werden, sowie für die Analyse von Atomen an den Grenzen, die Materialien miteinander verbinden.

Die Bildgebungsmethode könnte auch auf dicke biologische Zellen oder Gewebe oder sogar auf synaptische Verbindungen im Gehirn angewendet werden, was Müller als „Konnektome auf Abruf“ bezeichnet. Obwohl die Methode zeitaufwändig und rechenintensiv ist, kann sie durch die Verwendung leistungsstärkerer Computer in Kombination mit maschinellem Lernen und schnelleren Detektoren effizienter gestaltet werden.

„Wir wollen dies auf alles anwenden, was wir tun“, sagte Mueller, der Co-Direktor des Kavli Institute for Nanoscale Science der Cornell University und Co-Vorsitzender der Arbeitsgruppe Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), die Teil der Radical Collaboration Initiative der Cornell University ist. „Bisher hatten wir alle eine wirklich schlechte Brille. Jetzt haben wir tatsächlich eine richtig gute Brille. Warum sollte man nicht die alte Brille abnehmen, die neue aufsetzen und sie weiter benutzen wollen?“

Brahmas Standpunkt: Im Universum ist sogar ein Atom eine Welt.