Atomların En Yüksek Çözünürlüklü Görüntüsü

PrScO₃ kristalinin üç boyutlu atom yapısının 100 milyon kat büyütülmüş görüntüsü. Malzemenin fotoğrafta görülen kısmının genişliği yaklaşık 1 nanometre (metrenin milyarda biri) kadar. 

Cornell Üniversitesinden bir grup araştırmacı kristalli bir katının üç boyutlu atom yapısını 100 milyon kat büyüterek görüntülemeyi başardı. Elde edilen görüntü, bugüne kadarki en yüksek çözünürlüklü atom yapısı görüntüsü olarak kayıtlara geçti. Daha önceki rekor da yine aynı araştırma grubuna aitti.

Işık mikroskoplarının çözünürlüğü, kullanılan ışığın dalga boyu tarafından belirlenir. Dalga boyu ne kadar küçülürse (ışığın frekansı ve enerjisi ne kadar artarsa) çözünürlük de o kadar artar. Elektron mikroskoplarında ise ışık yerine elektronlar kullanılır. Kuantum mekaniği, atom ölçeğindeki parçacıkların davranışlarının klasik fizikteki “madde” ya da “dalga” kavramlarının kullanılmasıyla tam olarak açıklanamayacağını söyler (dalga-parçacık ikiliği). Her bir parçacığa “eşlik eden” bir dalga vardır ve bu dalganın dalga boyu (de Broglie dalga boyu), h Planck sabiti ve p momentum olmak üzere λ=h/p eşitliğiyle hesaplanır. Elektron mikroskoplarının sıradan ışık mikroskoplarına kıyasla çok daha yüksek çözünürlüklü görüntüler sağlamasının nedeni, bir elektrona eşlik eden dalganın boyunun görünür ışığınkinden çok daha kısa olabilmesidir.

Elektron mikroskobuyla elde edilen görüntülerin çözünürlüğünü artırmanın yolu, elektronlara eşlik eden dalganın boyunu kısaltmaktan geçer. Ancak bunun da bir sınırı vardır. Çünkü de Broglie dalga boyu kısaldıkça enerjisi artan elektronlar, eninde sonunda yapısı görüntülenmeye çalışılan malzemeye zarar vermeye başlar.

Görüntülenmek istenen malzemenin yapısına zarar verilmeden yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edilebilen bir mikroskobi tekniği ise ptychography olarak adlandırılıyor. Bu yöntemde sıradan mikroskobi yöntemlerinin aksine çözünürlüğü artırmak için de Broglie dalga boyu kısaltılmaya çalışılmaz, ışık ya da elektron mikroskopları kullanılarak elde edilen verilerden malzemenin yapısı hesaplanır. 

Ptychography tekniği elektron mikroskobisi ile birlikte kullanılırken önce elektron kaynağı yavaş yavaş hareket ettirilerek, elektronların malzemenin üzerine farklı yönlerden ve açılardan çarpması sağlanır. Daha sonra saçılan elektronlar dedektörler tarafından yakalanarak hareket yönleri ve enerjileri gibi özellikleri tespit edilir. En sonunda da elde edilen bilgiler kullanılarak kuramsal hesaplarla malzemenin atom yapısı hesaplanır.

Ptychography üzerine ilk çalışmalar 1960’larda başlamışsa da bu yöntemle sıradan elektron mikroskobisiyle elde edilebilenlerden daha yüksek çözünürlüklü görüntüler elde etmek yakın zamanlara kadar mümkün olmamıştı. Bu durumun ana nedeniyse dedektörlerin ve bilgisayarların kapasitesinin arzu edilen çözünürlük seviyesine ulaşmak için yeterli olmamasıydı.

Cornell Üniversitesinden Prof. Dr. David Muller ve öğrencilerinin 2018 yılında kendi geliştirdikleri bir dedektörü kullanarak ptychography yöntemiyle elde ettiği görüntüler, o zamana kadarki en yüksek çözünürlüklü atom görüntüsü olarak kayıtlara geçmişti. Aynı araştırma grubu yakın zamanlarda kendi rekorunu geliştirdi. Araştırmacılar PrScO₃(paraseodim skandiyum oksit) kristallerinin atom yapısını 100 milyon kat büyüterek görüntülemeyi başardı.

Araştırma ekibi 2018 yılında yayımladıkları çalışmalarında sadece birkaç atom kalınlığındaki kristallerin yapısını görüntüleyebiliyorlardı. Daha kalın malzemelerin yapısını görüntülemek ise hesaplamalardaki zorluklar nedeniyle mümkün olmuyordu. Ancak araştırmacılar aradan geçen zamanda bu soruna da bir çözüm bulmuşlar. Dr. Zhen Chen ve arkadaşlarının Science’ta yayımladıkları makaleye göre ptychography yöntemiyle artık yüzlerce atom kalınlığındaki malzemelerin atom yapısı görüntülenebiliyor.