چگونه می‌توان از اتم‌ها عکس‌برداری کرد؟
تصویر شاخص این مقاله نمایش‌دهنده‌ی بالاترین وضوح ممکن از اتم‌های یک کریستال در شگفت‌انگیزترین حالت ممکن است. به منظور به دست آوردن چنین تصویری محققان دانشگاه کرنل نمونه‌ای از یک کریستال سه بعدی را به بزرگنمایی ۱۰۰ میلیون بار و وضوح دو برابر رساندند تا بتوانند چنین تصویری را ثبت کنند.
اما چرا عکاسی از اتم‌ها تا این حد مهم است و دانشمندان هر روز به دنبال یافتن متدهای جدیدی برای به دست آوردن عکسی با وضوح بیشتر از این دنیا هستند؟ اهمیت تصویربرداری از اتم‌ها تنها به اغنای حس کنجکاوی بشر ختم نمی‌شود، بلکه چنین تصاویری می‌تواند به توسعه‌ی مواد مختلف برای طراحی‌هایی قدرتمندتر در تلفن‌ها، رایانه‌ها و سایر لوازم الکترونیکی به کار آید. همچنین وجود تصاویر باکیفیت از اتم‌های مواد مختلف می‌تواند آینده‌ی باتری‌ها را تحت‌شعاع قرار دهد.
چگونه می‌توان از اتم‌ها عکس‌برداری کرد؟
تصویر پیش رو با استفاده از تکنیکی به نام «پتیکوگرافی الکترونی» (electron ptychography) به دست آمده است. طی این روش اشعه‌ای الکترونی با سرعت حدودا یک میلیارد در ثانیه، به یک ماده که به عنوان هدف در نظر گرفته شده است، برخورد می‌کند! الکترون‌های شلیک شده در این شرایط در کسری از ثانیه حرکت می‌کنند، بنابراین با زوایای کمی متفاوت از یکدیگر به نمونه‌ی هدف برخورد (یا در مواردی از آن عبور می‌کنند!) می‌کنند و قبل از خروج از آن دچار برانگیختگی می‌شوند.
درواقع می‌توان این تکنیک تصویربرداری را به بازی وسطی در برابر حریفانی که در تاریکی ایستاده‌اند تشبیه کرد که در آن الکترون حکم توپ‌هایی را دارند که به سمت اهداف منفرد (اتم‌ها) خیز بر می‌دارند. در این شرایط اگرچه نمی‌توان اهداف را دید، اما می‌تواند تشخیص داد که توپ (الکترون‌ها) به کجا ختم می‌شوند! با توجه به الگوی ایجاد شده توسط میلیاردها الکترون در هنگام برخورد به آشکارساز، الگوریتم‌های یادگیری ماشین می‌توانند محل قرارگیری اتم‌ها و شکل آن‌ها را تشخیص دهند و در نتیجه یک تصویر ایجاد کنند.
تکنیک تصویربرداری از اتم‌ها مشابه با بازی وسطی در برابر حریفانی است که در تاریکی ایستاده‌اند و الکترون‌ها حکم توپ‌هایی را دارند که به سمت اهداف منفرد (اتم‌ها) خیز بر می‌دارند. اگرچه نمی‌توان اهداف را دید، اما می‌تواند تشخیص داد که توپ (الکترون‌ها) به کجا ختم می‌شوند!
میکروسکوپ‌های الکترون و پتیکوگرافی الکترونی
جالب است بدانید که سال‌ها پیش از این مطالعه، پتیکوگرافی الکترونی تنها برای تصویربرداری از نمونه‌های بسیار مسطح مواد با ضخامت یک تا چند اتم استفاده می‌شد. اما مطالعات جدید عکاسی از لایه‌های متعدد با ضخامت ده‌ها تا صدها اتم را ممکن می‌کند! در همین راستا باید تاکید کرد که این روش برای دانشمندان علم مواد که معمولاً خواص نمونه‌هایی با ضخامت حدود ۳۰ تا ۵۰ نانومتر (این مقدار از طول ناخن‌های شما که در یک دقیقه رشد کرده کوچکتر است اما چندین برابر بیشتر از طولی است که پتیکووگرافی الکترونی در گذشته می‌توانست تصویربرداری کند!) را مطالعه می‌کنند هم بسیار مفید است. نتایج این مطالعه یک پیشرفت مهم در دنیای «میکروسکوپ‌های الکترونی» است.
میکروسکوپ الکترونی استاندارد در اوایل دهه‌ی ۱۹۳۰ اختراع شد و طی یک اتفاق انقلابی امکان دیدن چیزهایی مانند ویروس فلج اطفال که کوچکتر از طول موج‌های نور مرئی است برای فعالان دنیای علم محقق شد. اما جدا از انقلابی که به واسطه‌ای ابداع چنین میکروسکوپ‌هایی ایجاد شد، باید بدانید که این وسیله با محدودیت خاصی روبه‌رو بود که کار را برای تصویربرداری مختل می‌کرد. درواقع افزایش قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی مستلزم افزایش انرژی پرتوهای الکترونی بود؛ این مساله از این نظر مشکل‌ساز است که انرژی بالاتر به منظور افزایش وضوح تصویر به نمونه‌ی هدف آسیب جدی وارد می‌کرد. در مقابل، در روش پتیکوگرافی با استفاده از یک آشکارساز می‌توان تمام زوایای مختلفی را که پرتو می‌تواند در هر موقعیتی از هدف پراکنده شود را ثبت می‌کند؛ بنابراین می‌توان اطلاعات بسیار بیشتری را با طول موج و عدسی‌ای مشابه به دست آورد.
در دهه‌ی ۱۹۶۰ محققان روش پتیکوگرافی را برای غلبه بر محدودیت‌های عدسی‌های الکترونی تئوریزه و در دهه‌ی ۱۹۸۰ به بوته‌ی آزمایشگاهی رساندند. اما به دلیل محدودیت‌های محاسباتی، آشکارسازها و ریاضیات پیچیده مورد نیاز، این تکنیک برای چندین دهه عملی نشد. در همین راستا نسخه‌های اولیه‌ی این روش تصویربرداری با استفاده از نور مرئی و اشعه ایکس بسیار بهتر از میکروسکوپ‌های الکترونی اولیه در تصویربرداری از اجسام در اندازه‌ی اتمی کار می‌کردند. بهبود روش‌های تصویربرداری با این روش‌ها هم‌چنان ادامه پیدا کرد تا اینکه در سال ۲۰۱۸ گروهی از دانشمندان توانستند آشکارساز بهینه‌ای را برای پتیکوگرافی الکترونی در آزمایشگاه ایجاد کنند!
هر نقطه در این تصویر یک اتم مولیبدن یا گوگرد منفرد است که از دو ورقه با ضخامت اتمی که با یکدیگر همپوشانی دارند به دست آمده است. این تصاویر تا سال ۲۰۱۸ واضح‌ترین تصویربرداری از دنیای اتمی بود و در کتاب رکوردهای گینس هم ثبت شده است.
این محققان توانستند نمونه‌های دو بعدی را با این تکنیک بازسازی کنند و آنچه مولر (یکی از لیدرهای این تیم تحقیقاتی) آن را بالاترین وضوح تصویر با هر روشی در جهان می‌نامد، را تولید کنند. محققان این شاهکار را با استفاده از طول موج کم انرژی‌تری نسبت به روش‌های دیگر ایجاد کردند، بنابراین تصویری واضح‌تر و با محدودیت‌های کمتر به دنیای علم هدیه شد.
از عکس‌برداری دوبعدی تا عکس‌برداری سه‌بعدی از اتم‌ها
همانطور که قبلا هم اشاره کردیم در سال ۲۰۱۸ تصویر گرفته شده از اتم‌ها تنها نمونه‌ای دوبعدی بود. درواقع چالش بعدی فیزیکدان‌ها گلاویز شدن با نمونه‌های ضخیم‌تر بود! چراکه در مواجه با اهداف ضخیم‌تر یک موج الکترونی قبل از رسیدن به آشکارساز از اتم‌های زیادی کمانه می‌کرد، به بیان دیگر مشکل «پراکندگی چندگانه» (multiple scattering) در هدف‌های ضخیم‌تر دیده می‌شد.
به منظور حل این چالش محققان با استفاده از الگوهای همپوشانی کافی و قدرت محاسباتی بالا توانستند طرح‌بندی اتم‌ها را که یک الگوی مشخص پیروی می‌کند را مهندسی معکوس کنند و الگوی اصلی را به دست آورند. به طور کلی چنین تکنیک‌های تصویربرداری‌ای با وضوح بالا برای توسعه‌ی نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی ضروری است، چراکه به عنوان مثال، بسیاری از محققان به دنبال یافتن نیمه‌هادی‌هایی کارآمدتر و فراتر از تراشه‌های کامپیوتری مبتنی بر سیلیکون هستند. بنابراین این مسیر می‌تواند شاه‌راهی به سمت آینده باشد!
تصویر شاخص: بازسازی پتیکووگرافی الکترونی از کریستال ارتوسکاندات پرازئودیمیم (PrScO3) که با بزرگنمایی ۱۰۰ میلیون بار ایجاد شده است.
منبع: SCIENTIFIC AMERICAN
