原子画像の解像度が再び向上しました。ミクロの世界もハイビジョンの時代を迎えるのでしょうか？

走査トンネル顕微鏡

走査トンネル顕微鏡は STM と略されます。走査型プローブ顕微鏡ツールである走査型トンネル顕微鏡を使用すると、科学者は原子間力顕微鏡よりもはるかに高い解像度で個々の原子を観察し、位置を特定することができます。

さらに、走査トンネル顕微鏡は、低温（4K）でプローブの先端を使って原子を精密に操作できるため、ナノテクノロジーにおける重要な測定ツールであると同時に加工ツールでもあります。

1億倍以上の解像度

コーネル大学の研究者らは、2018年に高性能STMトンネル走査検出器を開発し、最新のアルゴリズム駆動型、いわゆるタイプコグラフィーと組み合わせることで、最先端の電子顕微鏡の解像度を3倍に高め、1億倍の拡大率という世界記録を達成した。

しかし、この成功にもかかわらず、このアプローチには弱点があります。これは、数原子の厚さの極薄サンプルにのみ適用できます。これより厚い材料では、電子が散乱してしまい、解いて画像化することができなくなります。

現在、サミュエル・B・エッカート工学教授のデイビッド・ミューラー氏が再び率いるチームは、電子顕微鏡ピクセルアレイ検出器（EMPAD）とより洗練された3D再構成アルゴリズムを組み合わせることで、2018年の記録を3倍に伸ばしました。

画像の解像度が非常に高いため、残るぼやけは原子自体の熱振動だけです。

最新の原子画像を1億倍に拡大

「これは新たな記録を樹立しただけではない」とミュラー氏は語った。 「我々は事実上、解像度の限界に到達しました。今では原子の位置を基本的にかなり簡単に把握できます。これにより、我々がやりたいことの多くの新しい測定の可能性が開かれます。これは、長年存在していた問題、つまりサンプル内での光線の多重散乱を排除するという問題 (1928 年にハンス・ベーテが提唱) を解決するもので、これまではうまく解決できなかった問題です。」

ガスクロマトグラフィーは、物質のサンプル内の重なり合う散乱パターンをスキャンし、重なり合う領域の変化を探すことによって機能します。 「猫がレーザーポインターの点に魅了されるのと同じように、私たちは光の点のパターンを追いかけているのです！」ミュラー氏は語った。 「パターンがどのように変化するかを観察することで、その原因となっている物体の形状を解明することができます。」検出器はわずかに焦点をずらしてビームをぼかし、最大範囲のデータを取得します。このデータは複雑なアルゴリズムを通じて再構築され、ピコメートル（1 兆分の 1 メートル）の精度を持つ超高精度画像が生成されます。

「これらの新しいアルゴリズムにより、顕微鏡のぼやけをすべて補正できるようになり、残る最大のぼやけ要因は原子自体の振動だけになった。絶対零度を超えると原子に振動が起こるからだ」とミュラー氏は語った。 「高温や低温について話すとき、実際に測定しているのは原子がどれだけ振動しているかの平均的強さです。」

左側の走査透過型電子顕微鏡は、サンプルに細い電子ビームを送り、前後に走査して画像を作成します。右側のピクセルアレイ検出器は、着地位置を読み取り、その着地位置から各電子の散乱角度を読み取り、サンプルの原子構造に関する情報を提供します。

研究者たちは、より重い原子（振動が少ない）でできた材料を使うか、サンプルを冷却することで、再び記録を破ることができるかもしれない。しかし、絶対零度でも原子には量子ゆらぎがあるため、改善はそれほど大きくないでしょう。

この最新の電子分光法によって、科学者は他の画像化方法では隠れている個々の原子を 3 次元すべてで見つけることができるようになります。研究者たちは、異常な構造を持つ不純物原子を一つずつ見つけ出し、それらとその振動を画像化することもできるようになる。これは、量子コンピューティングで使用されるものを含む半導体、触媒、量子材料をイメージングしたり、材料を相互に接続する境界にある原子を分析するのに特に役立ちます。

この画像化手法は、厚い生物細胞や組織、さらには脳内のシナプス結合にも適用可能であり、ミュラー氏はこれを「オンデマンドのコネクトーム」と呼んでいる。この方法は時間がかかり、計算量も膨大ですが、機械学習と高速検出器を組み合わせたより強力なコンピューターを使用することで、より効率的に行うことができます。

「私たちはこれを、私たちが行うすべてのことに適用したいと考えています」と、コーネル大学のカブリナノスケール科学研究所の共同所長であり、コーネル大学のラディカルコラボレーションイニシアチブの一部であるナノスケール科学およびマイクロシステムエンジニアリング（NEXT Nano）ワーキンググループの共同議長を務めるミュラー氏は述べた。 「今まで、私たちはみんな本当にひどいメガネをかけていました。でも、今は本当に良いメガネを持っています。古いメガネを外して、新しいメガネをかけ、それを使い続けたいと思うのはなぜですか？」

ブラフマーの視点：宇宙では、原子さえも世界です。