How big is Plej eta aĵo videbla tra elektrona mikroskopo?

Elektrona mikroskopo formas bildojn per fasko da elektronoj anstataŭ lumo, kaj ĝi povas montri unuopajn atomojn. Laŭ la stato de 2026, la plej bonaj elektronaj mikroskopoj povas distingi detalojn, kiuj distas unu de la alia je ĉirkaŭ 20 pikometroj, tio estas ĉirkaŭ kvinono de la larĝo de hidrogena atomo. Pikometro estas bilionono de metro.

Grando

Tiu ĉi nombro estas distingopovo, ne la grando de objekto. Distingopovo de mikroskopo estas la plej malgranda distanco, ĉe kiu du punktoj ankoraŭ aperas kiel du apartaj punktoj anstataŭ unu malklara makulo. La plej malgrandaj aĵoj, kiujn elektrona mikroskopo montras, estas unuopaj atomoj, kaj la plej bonaj aparatoj nun distingas detalojn, kiuj distas unu de la alia je nur parto de la larĝo de atomo.

Difektoj de la magnetaj lensoj, kiuj enfokusigas la elektronan faskon, iam limigis la plej akrajn bildojn al ĉirkaŭ 100 pikometroj. Korektiloj de lensoj ŝanĝis tion. En 2008 la Nacia Laboratorio Lawrence Berkeley prezentis TEAM 0.5, mikroskopon projektitan por atingi duonon de angstromo, tio estas 50 pikometrojn. Poste ĝia teamo raportis, ke la mikroskopo distingis parojn de germaniaj atomoj, kiuj distas unu de la alia je 47 pikometroj.

Poste komputila metodo, nomata elektrona ptikografio, ankoraŭ plibonigis la rekordon. Teamo ĉe la Universitato Cornell atingis 39 pikometrojn en 2018 kaj ĉirkaŭ 20 pikometrojn en 2021. En 2024 teamo ĉe la Universitato Tsinghua en Ĉinio raportis detalojn ĝis 14 pikometroj, uzante alian mezuron de distingopovo. La preciza rekordo dependas de tio, kiel oni mezuras la distingopovon.

Komparoj de grando

Hidrogena atomo, kies diametro estas ĉirkaŭ 0,1 nanometroj, estas ĉirkaŭ kvin fojojn pli larĝa ol la plej fajna detalo, kiun tiuj mikroskopoj distingas.
Se hidrogena atomo pligrandiĝus ĝis la grando de korbopilko, kies diametro estas ĉirkaŭ 24 centimetroj, la mikroskopo povus distingi detalojn, kiuj distas unu de la alia je ĉirkaŭ 4,5 centimetroj.
Ordinara lummikroskopo ne povas distingi detalojn pli proksimajn unu al alia ol ĉirkaŭ 0,2 mikrometroj. Tio estas 10 000 fojojn la distanco, kiun la plej bonaj elektronaj mikroskopoj povas distingi. Mikrometro estas milionono de metro.
Dudek pikometroj estas 0,2 angstromoj. Ligoj inter atomoj ĝenerale estas 1–2 angstromojn longaj, 5–10 fojojn pli longaj ol la plej fajna distingita detalo.
Laŭlarĝe de homa haro eblus meti ĉirkaŭ 4–5 milionojn de la plej fajnaj distingeblaj detaloj.

Kial elektronoj montras pli fajnajn detalojn ol lumo

Konvenciaj mikroskopoj ne povas distingi detalojn multe pli malgrandajn ol la ondolongo de tio, per kio ili vidas. Ondolongo estas la distanco de unu kresto de ondo ĝis la sekva. Por ordinara lummikroskopo la limo estas ĉirkaŭ 0,2 mikrometroj, kiel eltrovis la mikroskopisto Ernst Abbe en 1873.

Ankaŭ elektronoj kondutas kiel ondoj, kun multe pli mallongaj ondolongoj ol lumo. La rapidaj elektronoj uzataj en multaj tiaj mikroskopoj havas ondolongon de ĉirkaŭ 2 pikometroj. Principe tio permesas multe pli fajnajn detalojn ol lumo iam povus. Praktike malbonaj lensoj tenis elektronajn mikroskopojn malproksime de tiu limo, kaj korektiloj kaj komputilaj metodoj poste malgrandigis la diferencon.

Kiel oni faras la plej novajn bildojn

Elektrona ptikografio ne fidas nur je lensoj. La mikroskopo skanas provaĵon per sia fasko, punkto post punkto, kun interkovriĝantaj punktoj, kaj registras, kiel la elektronoj disiĝas ĉe ĉiu el ili. Komputilaj algoritmoj poste eltrovas, kia formo de provaĵo kaŭzus tiujn ŝablonojn, kaj rekonstruas la bildon laŭ ili.

La bildoj de 2021 el Cornell montris kristalon pligrandigitan 100 milionojn da fojoj. Je tiu distingopovo la ĉefa restanta malklaro venas de la atomoj mem, kiuj senĉese tremetas pro varmo. La gvidanto de la teamo, David Muller, priskribis tion kiel praktike finan limon de distingopovo.