L’immagine degli atomi di un campione (cristallo di praseodimio ortoscandato, PrScO3) ottenuta dagli ingegneri della Cornell University di New York /
in foto: L’immagine degli atomi di un campione (cristallo di praseodimio ortoscandato, PrScO3) ottenuta dagli ingegneri della Cornell University di New York /

È il nuovo record assoluto, quello segnato dagli ingegneri della Cornell University di New York, che sono riusciti a ottenere la foto a più alta risoluzione mai raggiunta di singoli atomi. La straordinaria immagine è stata realizzata grazie a un rivelatore a matrice di pixel al microscopio elettronico (EMPAD) integrato con sofisticati algoritmi di ricostruzione 3D che ha permesso raggiungere un’accuratezza che supera di due volte il precedente primato che lo stesso team di ricerca deteneva dal 2018. Rispetto all’approccio precedente, la nuova impostazione ha consentito di ingrandire il campione di 100 milioni di volte e di correggere tutte le sfocature al punto che la risoluzione finale risultasse così calibrata che sole sfumature presenti sono quelle dovute all’oscillazione degli atomi stessi.

Il metodo, descritto nello studio “Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations” pubblicato sulla rivista Science, ha permesso di scansionare nel dettaglio un cristallo di praseodimio ortoscandato (PrScO3) e, nello specifico, di cercare i cambiamenti nelle cosiddette regioni di sovrapposizione. Queste variazioni, valutate nel confronto con modelli di dispersione, hanno dunque consentito di osservare l’esatta posizione degli atomi che compongono la materia. “Sfocando il raggio del rilevatore – spiegano i ricercatori in una notaabbiamo catturato la più ampia gamma di dati possibile. Questi sono stati quindi ricostruiti tramite algoritmi complessi, fino ad ottenere un’immagine ultraprecisa con accuratezza picometrica (un trilionesimo di metro)”.

Grazie a questi nuovi algoritmi, i ricercatori sono ora in grado di correggere tutte le sfocature del microscopio, fino al punto che “il più grande fattore di sfocatura che ci rimane è rappresentato dagli atomi stessi che oscillano, visto che è quello che accade agli atomi a una temperatura finita” ha precisato David Muller, professore presso la School of Applied and Engineering Physics della Cornell University e autore senior dello studio – . Quando parliamo di temperatura, ciò che in realtà misuriamo è la velocità media di quanto si muovono gli atomi”.

L’approccio non ha solo permesso di stabilire il nuovo record. “Abbiamo raggiunto un regime che sarà effettivamente un limite ultimo per la risoluzione – ha aggiunto Muller – . Fondamentalmente, ora possiamo capire dove sono gli atomi in un modo semplice, aprendo la strada a nuove possibilità di misurazione che volevamo percorrere da molto tempo. E risolvendo anche un problema di vecchia data, cioè quello di annullare la dispersione multipla del raggio nel campione, che finora ci ha impedito questo tipo di misurazione”.

In futuro, i ricercatori potrebbero comunque infrangere questo nuovo record, utilizzando un materiale costituito da atomi più pesanti, che oscillano meno o raffreddando il campione. Ma anche a temperatura di congelamento, gli atomi avrebbero ancora fluttuazioni quantistiche, per cui il miglioramento non sarebbe molto più grande.