Giugno 12, 2021

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Fisica: gli scienziati stanno acquisendo le immagini di atomi con la più alta risoluzione mai vista

I ricercatori hanno battuto il record per la più alta risoluzione di immagine mai scattata per singoli atomi, creando un’istantanea che viene “ingrandita” circa 100 milioni di volte.

Queste immagini sono messe a punto, infatti, che il rumore residuo nello scatto è solo un prodotto della vibrazione termica degli atomi stessi.

La svolta per il team della Cornell University si basa sul record precedente, registrato nel 2018, che utilizzava un nuovo rilevatore per triplicare la risoluzione di un microscopio elettronico.

Tuttavia, questa configurazione precedente era limitata perché poteva fotografare solo campioni molto sottili, solo campioni sottili.

Tuttavia, l’introduzione di un nuovo rilevatore a matrice di pixel, che include algoritmi di ricostruzione 3D più avanzati, ha consentito un fattore di miglioramento.

Il team spiega che questo si traduce in un’immagine che ha una risoluzione al livello di un micrometro, o un trilionesimo di metro.

I ricercatori hanno battuto il record per la più alta risoluzione di immagine mai scattata per singoli atomi, creando un’istantanea che viene “ingrandita” circa 100 milioni di volte, come mostrato nell’immagine.

Usando queste immagini

Secondo il team, la nuova tecnologia di “stampa elettronica” potrebbe trovare diverse applicazioni.

Ad esempio, potrebbe consentire ai ricercatori di identificare quegli atomi nei materiali oscurati da altri metodi di imaging in tre dimensioni o identificare le impurità atomiche per un’analisi più approfondita.

Quest’ultima applicazione potrebbe essere di particolare interesse per l’imaging di semiconduttori, catalizzatori e materiali quantistici.

Inoltre, la tecnologia può anche essere utilizzata per visualizzare cellule o tessuti biologici più spessi e persino per scansionare le connessioni sinaptiche nel cervello, aggiungono i ricercatori.

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“Non si limita a stabilire un nuovo record”, ha detto l’autore e ingegnere David Mueller della Cornell University di New York.

È arrivato a un sistema che sarebbe stato effettivamente il punto finale della soluzione. Fondamentalmente, ora possiamo capire dove sono gli atomi in un modo molto semplice.

Questo apre molte nuove possibilità di ridimensionamento per le cose che volevamo fare da molto tempo.

“Risolve anche un problema di vecchia data – annullare la dispersione multipla del raggio nel campione – che ci ha impedito di farlo in passato”.

Il metodo di imaging utilizzato dal team include una tecnica chiamata ptychography, in cui un raggio – costituito, in questo caso, da elettroni – viene sparato ripetutamente attraverso un oggetto interessante, anche se da una posizione leggermente diversa ogni volta.

Confrontando i diversi schemi di sovrapposizione formati dal fascio diffuso, l’algoritmo può ricostruire l’oggetto target con grande precisione.

“ Stiamo cercando schemi di punti che sono molto simili ai modelli di puntatore laser da cui i gatti sono ugualmente affascinati ”, ha spiegato il professor Muller.

Vedendo come è cambiato il motivo, possiamo calcolare la forma dell’oggetto che ha causato il motivo.

Con questi nuovi algoritmi, ora siamo in grado di correggere tutta la sfocatura del nostro microscopio al punto che il nostro più grande fattore di mimetizzazione è il fatto che gli atomi stessi stanno oscillando.

Ha spiegato che questo movimento è “ciò che accade agli atomi a una temperatura finita”.

Quando parliamo di temperatura, ciò che stiamo effettivamente misurando è la velocità media di quanto vibrano gli atomi.

Il professor Mueller ha aggiunto: “Vogliamo applicare questo a tutto ciò che facciamo”.

Finora, abbiamo tutti indossato occhiali davvero brutti. E ora abbiamo davvero una buona coppia.

“Perché non vuoi toglierti i vecchi occhiali, indossarne di nuovi e usarli sempre?”

Per ora, il team ha riconosciuto che il metodo di imaging richiede molto tempo e richiede calcoli, ma i progressi nei computer e nel rivelatore in futuro hanno il potenziale per accelerare il processo.

I risultati completi dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Scienza.

Spingi il record ancora oltre

Nella foto: un'immagine schematica elettronica degli atomi presa dai ricercatori

Nella foto: un’immagine schematica elettronica degli atomi presa dai ricercatori

Secondo i ricercatori, potrebbe essere possibile per loro superare nuovamente il loro record nel prossimo futuro.

Ciò potrebbe comportare l’utilizzo di un materiale target costituito da atomi più pesanti, che vibrerebbe di meno, consentendo immagini meno sfocate.

In alternativa, lo stesso risultato può essere ottenuto anche raffreddando il campione corrente, riducendone il movimento atomico.

Tuttavia, hanno indicato che tali miglioramenti non sarebbero stati significativi.

Anche a temperatura zero, gli atomi hanno ancora fluttuazioni quantistiche, il che significa che esiste un limite intrinseco a quanto è possibile ottenere immagini migliori.