Физики впервые получили изображение с помощью «призрачных» электронов

Американские физики впервые реализовали метод призрачной визуализации предмета с помощью пучка электронов. В этом методе электроны, проходящие через образец, фиксируются детектором со одним-единственным пикселем, а изображение с более высоким разрешением восстанавливается с помощью программы, которая ищет корреляции между сигналом детектора и исходным известным профилем пучка электронов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

«Классическая» призрачная визуализация использует пучки квантово запутанных фотонов, чтобы получать изображения предметов. Один из пучков («сигнальный») направляется непосредственно на исследуемый объект, а затем фиксируется детектором, который состоит из одного-единственного пикселя. Второй пучок («эталонный») проходит в стороне от объекта и фиксируется вторым детектором, который имеет гораздо более высокое разрешение, то есть состоит из большого числа пикселей. Затем ученые сопоставляют картины, полученные обоими детекторами, и восстанавливают изображение объекта, учитывая корреляции между электронами (напоминаем, что пучки электронов запутаны между собой).

Другими словами, получается, будто второй детектор в хорошем разрешении снимает изображение «призрака» — предмета, который он даже не видит. При этом интенсивность «сигнального» пучка может быть во много раз меньше, чем интенсивность «эталонного» пучка, поскольку размеры единственного пикселя первого детектора ничем не ограничены, а потому его можно сделать очень чувствительным. Таким образом, призрачная визуализация позволяет избежать разрушения хрупких объектов (например, сложных биологических молекул), сохраняя при этом разрешение изображения и время выдержки на удобном для наблюдений уровне.

В последнее время ученые стараются расширить возможности призрачной визуализации, заменяя фотоны другими запутанными частицами. В частности, исследователям удалось реализовать описанную схему с рентгеновскими лучами или атомами гелия. Тем не менее, до последнего времени физикам не удавалось осуществить призрачную визуализацию с помощью электронов — частиц, которые позволяют увеличить пространственное разрешение по меньшей мере в миллион раз по сравнению с фотонами. Основное препятствие, которое мешало ученым, — отсутствие разделителей, которые «запутывают» электроны с энергиями, характерными для электронной микроскопии.

Группа ученых под руководством Сыци Ли (Siqi Li) впервые получила «призрачное» изображение предмета с помощью запутанных релятивистских электронов с энергией порядка 3,2 мегаэлектронвольт (что отвечает длине волны около 4×10⁻¹³ метров). Чтобы получить такие электроны, исследователи светили ультрафиолетовым лазером (длина волны λ = 266 нанометров, продолжительность вспышки τ = 0,8 пикосекунды) на медный катод. Чтобы контролировать итоговое распределение электронов, ученые накладывали на лазер поперечную маску с помощью цифрового микрозеркального устройства (digital micromirror device) TI DLP-7000 DMD размером 160×160 пикселей, которое изменяло форму ультрафиолетового пучка. Чтобы упростить себе работу, ученые объединяли пиксели DMD в «макропиксели» 8×8 или 16×16. После каждой новой вспышки лазера маска, создаваемая DMD, изменялась. Из-за существенных потерь в DMD линии передачи света только 5 процентов изначальной энергии импульса достигали катода; кроме того, энергия импульса была ограничена 10 микроджоулями, чтобы избежать разрушения DMD. Поэтому суммарный заряд электронов, образующихся на катоде во время вспышки, не превышал 2,5×10⁻¹³ кулон.

Затем образовавшиеся на катоде электроны фокусировались с помощью магнитной линзы (соленоида с напряженностью магнитного поля около 1900 гаусс) и направлялись на флуоресцентный экран, удаленный от катода на расстояние 2,7 метра. При этом пучок электронов поворачивался вокруг своей оси. Диаметр получающегося пятнышка был примерно равен четырем миллиметрам. Излучение, испускаемое экраном, ученые записывали с помощью ПЗС-камеры, а затем отбрасывали сигнал фоновых электронов и складывали сигналы от всех электронов, прилетевших от катода. В результате экран работал как большой «сигнальный» детектор, состоящий из одного эффективного пикселя. «Эталонным» изображением в данном случае служил исходный профиль электронного пучка, задаваемый с помощью DMD. В остальном принцип работы детектора совпадал с «классическим» методом призрачной визуализации — написанная физиками программа искала корреляции между маской DMD и интенсивностью сигнала, измеренного ПЗС-камерой, а затем строила изображение изучаемого объекта.

В результате ученым удалось восстановить изображение предмета по сигналу одного-единственного пикселя с пространственным разрешением около ста микрометров. Также физики численно смоделировали работу построенного устройства на примере кольца диаметром 5a и толщиной a, изображение которой получается с помощью «эталонного» экрана размером 100×100 пикселей каждый размером a×a (a — это некоторая единица длины). Это моделирование показало, что выбранная учеными схема изменения маски DMD позволяет получить отчетливое изображение кольца всего за 200 вспышек лазера, тогда как «случайная» схема, при которой маска каждый раз случайно генерируется, требует более 5000 вспышек.

В конце прошлого месяца немецкие ученые получили «наклонный» пучок электронов, волновой фронт которого распространяется под углом к направлению движения частиц. Такие пучки помогут увеличить временно́е разрешение накачивающе-зондовой микроскопии, позволяющего следить за отдельными атомами в ходе химических реакций. А в апреле этого года другая группа немецких исследователей усовершенствовала метод просвечивающей электронной микроскопии, включив в рассмотрение не только амплитуду, но и фазу волновых функций проходящих через образец электронов, что позволило им записать голограмму образца и восстановить внутреннюю структуру с помощью компьютерного моделирования. 

Дмитрий Трунин