Электронные микроскопы достигли предела своей разрешающей способности?

Немецкие физики, работающие над проектом TEAM (Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope) и создавшие электронный микроскоп с разрешением 0,5 Å, утверждают, что им не удаётся больше улучшить разрешающую способность прибора из-за неожиданного источника шума.

Электронный микроскоп является аналогом обычных микроскопов, однако для получения изображений вместо света в нём используется поток электронов. Это позволяет таким приборам иметь значительно большее разрешение: если в оптике оно ограничивается длиной волны, которая обычно составляет сотни нанометров, то в электронном микроскопе главный ограничитель — искажения, вносимые в изображение системой используемых магнитных и электростатических линз.

Приблизительная схема работы электронного микроскопа.
Приблизительная схема работы электронного микроскопа.

Возможность компенсировать эти искажения всё более сложными системами электромагнитных полей позволила известному американскому физику Ричарду Фейнману поставить в своей знаменитой речи 1959 года There’s Plenty of Room at the Bottom («Там, внизу, полно места») амбициозную задачу достичь разрешения порядка 0,1 Å. Это меньше размера отдельного атома.

Ричард Фейнман.
Ричард Фейнман.

Технически эта задача, однако, оказалась довольно сложной, и только в 2000-х годах была достигнута разрешающая способность порядка 1 Å. Рекордом же на сегодняшний день является 0,5 Å, полученные командой TEAM в 2008 году. Это уже меньше, чем самые короткие межатомные связи в молекулах, и позволяет получать изображения с хорошо различимыми отдельными атомами.

Изображение [графена](http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BD), полученное на электронном микроскопе TEAM.
Изображение графена, полученное на электронном микроскопе TEAM.

Следующей целью для учёных стало достижение разрешения 0,33 Å, и в 2010 году была создана соответствующая система линз стоимостью более миллиона евро, однако неожиданно её использование только ухудшило качество изображения.

Долгое время учёные и инженеры не могли понять, в чём же дело, пока не догадались поставить вместо дорогостоящей системы обычную пустую металлическую трубу, аналогичную той, в которой эта система помещалась. Оказалось, что это даёт тот же самый эффект ухудшения разрешающей способности.

Таким образом, стало понятно, что источником шума, приводящим к размыванию картинки, является тепловое движение электронов в металлических стенках трубы, возмущающих своими полями движение электронов в системе магнитных линз. Этот эффект присутствовал, конечно, и раньше, но был незначительным из-за малых размеров использовавшихся систем. Новая система, однако, настолько сложна, что имеет длину около метра и весит около 750 кг. Такие большие размеры значительно усилили уровень шумов и не позволили получить разрешение лучше, чем 0,45–0,75 Å.

Внешний вид системы линз, предназначенной для достижения рекордной разрешающей способности электронного микроскопа.
Внешний вид системы линз, предназначенной для достижения рекордной разрешающей способности электронного микроскопа.

Тепловые шумы, правда, не единственная проблема, с которой столкнулись конструкторы электронных микроскопов. Так, недавно было показано, что современные системы, корректирующие искажения магнитных линз, сами по себе нестабильны и работают устойчиво не более нескольких минут, после чего уровень шумов быстро нарастает.

Кроме того, было показано, что при субангстремных разрешениях во взаимодействии электронов с атомами объекта, изображение которого хочется получить, большую роль начинают играть квантовомеханические эффекты. Из-за этого размер атомов на изображении может случайным образом оказаться как больше, так и меньше реального.

Учёные, однако, уверены. что все эти проблемы решаемы, но сомневаются в экономической целесообразности конструирования подобных инструментов. За те деньги, которые требуются для дальнейшего улучшения разрешающей способности одного электронного микроскопа, можно построить сотни микроскопов сегодняшнего уровня, уже позволяющих получать изображения каждого отдельного атома исследуемого вещества, — а ведь, именно эту цель имел ввиду в своей легендарной речи Р. Фейнман, хотя и завысил требование к разрешающей способности микроскопа.


Источник: Imaging hits noise barrier : Nature News & Comment

  •  
  •  763
comments powered by Disqus