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Física: los científicos capturan las imágenes de átomos con la resolución más alta de todos

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Los investigadores han batido el récord de la imagen de mayor resolución jamás capturada de átomos individuales, creando una toma que se 'amplía' unos 100 millones de veces, como se muestra en la imagen.

Los investigadores han batido el récord de la imagen de mayor resolución jamás capturada de átomos individuales, creando una toma que se ‘amplía’ unos 100 millones de veces.

Estas imágenes están tan afinadas, de hecho, que el desenfoque que queda en la toma es el producto únicamente de la sacudida térmica de los propios átomos.

El avance del equipo de la Universidad de Cornell se basó en su récord anterior, establecido en 2018, que utilizó un nuevo detector para triplicar la resolución de un microscopio electrónico.

Sin embargo, esta configuración anterior estaba limitada porque solo podía obtener imágenes de muestras ultradelgadas, aquellas de solo unos pocos átomos de espesor.

Sin embargo, la introducción de un nuevo detector de matriz de píxeles, que incorpora algoritmos de reconstrucción 3D más avanzados, permitió una mejora en un factor de dos.

Esto, explica el equipo, da como resultado una imagen que tiene una precisión al nivel de un picómetro, o una billonésima parte de un metro.

Los investigadores han batido el récord de la imagen de mayor resolución jamás capturada de átomos individuales, creando una toma que se ‘amplía’ unos 100 millones de veces, como se muestra en la imagen.

USANDO ESTAS IMÁGENES

Según el equipo, esta última técnica de «pticografía electrónica» podría encontrar varias aplicaciones.

Por ejemplo, podría permitir a los investigadores localizar en tres dimensiones aquellos átomos en materiales que están ocultos en otros métodos de obtención de imágenes, o identificar las impurezas atómicas para un análisis más detallado.

La última aplicación podría ser de particular utilidad para la formación de imágenes de semiconductores, catalizadores y materiales cuánticos.

Además, la técnica también podría emplearse para obtener imágenes de células o tejidos biológicos gruesos, e incluso para escanear las conexiones de sinapsis en el cerebro, agregaron los investigadores.

«Esto no solo establece un nuevo récord», dijo el ingeniero y autor del artículo David Muller de la Universidad Cornell de Nueva York.

“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.

“Esto abre un montón de nuevas posibilidades de medición de cosas que hemos querido hacer durante mucho tiempo.

«También resuelve un problema de larga data, deshaciendo la dispersión múltiple del haz en la muestra, que nos ha impedido hacer esto en el pasado».

El método de obtención de imágenes utilizado por el equipo implica una técnica llamada pticografía, en la que un rayo, en este caso, de electrones, se dispara repetidamente a través de un objeto de interés, aunque desde una posición ligeramente diferente cada vez.

Al comparar los diferentes patrones superpuestos formados por el haz disperso, un algoritmo puede reconstruir el objeto objetivo con gran precisión.

«Estamos persiguiendo patrones de motas que se parecen mucho a esos patrones de puntero láser que fascinan a los gatos por igual», explicó el profesor Muller.

“Al ver cómo cambia el patrón, podemos calcular la forma del objeto que causó el patrón.

«Con estos nuevos algoritmos, ahora podemos corregir todo el desenfoque de nuestro microscopio hasta el punto de que el factor de desenfoque más grande que nos queda es el hecho de que los átomos mismos se bambolean.

Explicó que este movimiento es «lo que les sucede a los átomos a una temperatura finita».

«Cuando hablamos de temperatura, lo que en realidad estamos midiendo es la velocidad promedio de cuánto se mueven los átomos».

El método de obtención de imágenes utilizado por el equipo implica una técnica llamada pticografía, en la que un rayo, en este caso, de electrones, se dispara repetidamente a través de un objeto de interés, aunque desde una posición ligeramente diferente cada vez.  Al comparar los diferentes patrones superpuestos formados por el haz disperso, un algoritmo puede reconstruir el objeto objetivo con gran precisión.

El método de obtención de imágenes utilizado por el equipo implica una técnica llamada pticografía, en la que un rayo, en este caso, de electrones, se dispara repetidamente a través de un objeto de interés, aunque desde una posición ligeramente diferente cada vez. Al comparar los diferentes patrones superpuestos formados por el haz disperso, un algoritmo puede reconstruir el objeto objetivo con gran precisión.

«Queremos aplicar esto a todo lo que hacemos», añadió el profesor Muller.

“Hasta ahora, todos hemos estado usando anteojos realmente malos. Y ahora tenemos un par realmente bueno.

«¿Por qué no querría quitarse las gafas viejas, ponerse las nuevas y usarlas todo el tiempo?»

En la actualidad, admitió el equipo, el método de obtención de imágenes requiere mucho tiempo y requiere computación, pero los avances en el hardware de computadoras y detectores en el futuro tienen el potencial de acelerar el proceso.

Los hallazgos completos del estudio se publicaron en la revista Ciencias.

EMPUJANDO EL RÉCORD MÁS ALLÁ

En la foto: una imagen de pticografía electrónica de átomos capturada por los investigadores.

En la foto: una imagen de pticografía electrónica de átomos capturada por los investigadores.

Según los investigadores, es posible que vuelvan a superar su récord en un futuro próximo.

Esto implicaría el uso de un material de destino compuesto por átomos más pesados, que se movería menos, lo que permitiría una imagen menos borrosa.

Alternativamente, también se podría lograr el mismo resultado enfriando la muestra actual, reduciendo su movimiento atómico.

Sin embargo, señalaron, tales mejoras no serían grandes.

E incluso a temperatura cero, los átomos todavía tienen fluctuaciones cuánticas, lo que significa que existe un límite inherente a la cantidad de imágenes mucho mejores que se pueden obtener.



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