Un equipo de investigadores de EE.UU. ha creado un detector de alta potencia que permite ver los átomos en impresionante resolución, tan ajustada que el único desenfoque que queda es el temblor térmico de los propios átomos. Los detalles fueron publicados en Science.
En 2018, científicos de la Universidad Cornell construyeron un detector similar que, en combinación con un proceso impulsado por algoritmos llamado pticografía, estableció un récord mundial al triplicar la resolución de un microscopio electrónico de última generación. Pero, a pesar de su éxito, el dispositivo tenía una debilidad.
El detector solo funcionó con muestras ultrafinas que tenían unos pocos átomos de espesor. Cualquier cosa más gruesa haría que los electrones se dispersaran de formas que no podrían desenredarse.
Pticografía
Ahora, otro equipo, dirigido por David Muller ha superado su propio récord por un factor de dos con un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD). El nuevo dispositivo incorpora algoritmos de reconstrucción 3D aún más sofisticados.
“Esto no solo establece un nuevo récord”, afirmó Muller. “Ha alcanzado un régimen que efectivamente será un límite máximo para la resolución. Básicamente, ahora podemos averiguar dónde están los átomos de una manera muy fácil”, agregó.
La técnica abre una gran cantidad de nuevas posibilidades de medición a cosas que los científicos han querido medir durante mucho tiempo. También resuelve un problema de larga data, deshaciendo la dispersión múltiple del haz en la muestra, que Hans Bethe estableció en 1928.
La pticografía funciona escaneando patrones de dispersión superpuestos de una muestra de material y buscando cambios en la región superpuesta. “Estamos persiguiendo patrones de motas muy parecidos a esos patrones de puntero láser que fascinan a los gatos”, señaló Muller. “Al ver cómo cambia el patrón, podemos calcular la forma del objeto que lo causó”.
El detector está ligeramente desenfocado, difuminando el haz, para capturar la mayor variedad de datos posible, los cuales se reconstruyen mediante algoritmos complejos. Ello da como resultado una imagen ultraprecisa con una precisión de picómetro (una billonésima de metro).
Átomos bamboleantes
Con los nuevos algoritmos, ahora es posible corregir todo el desenfoque del microscopio, el único factor de desenfoque más grande que quedaría es el bamboleo propio de los átomos. “Porque eso es lo que les sucede a los átomos a una temperatura finita”, comentó Muller.
Es probable que los investigadores vuelvan a superar su récord utilizando un material compuesto de átomos más pesados, menos bamboleantes, o enfriando la muestra. Pero incluso a temperatura cero, los átomos todavía tienen fluctuaciones cuánticas, así que la mejora no sería muy grande.
Esta forma de pticografía electrónica hará posible la localización de átomos individuales en las tres dimensiones. Otros métodos de obtención de imágenes no permiten visualizarlos cuando permanecen ocultos. Asimismo, podrán encontrar átomos de impurezas en configuraciones inusuales e imaginarlos con sus vibraciones.
Será particularmente útil en la obtención de imágenes de semiconductores, catalizadores y materiales cuánticos, como los usados en la computación cuántica, así como para analizar átomos en los límites donde se unen los materiales. Finalmente, servirá para aplicarse a células o tejidos biológicos gruesos, o incluso a las conexiones de sinapsis en el cerebro.