物理学者は最初に「ゴースト」電子を使用して画像をキャプチャしました

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Anonim
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アメリカの物理学者は、電子ビームを使用してオブジェクトのゴースト可視化の方法を実装した最初の人でした。この方法では、サンプルを通過する電子が単一のピクセル検出器によってキャプチャされ、検出器信号と元の既知の電子ビームプロファイルとの相関関係を探すプログラムを使用して、より高解像度の画像が再構成されます。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

「古典的な」ゴーストイメージングは​​、量子もつれ光子のビームを使用してオブジェクトの画像を生成します。ビームの1つ(「信号」)は、調査中のオブジェクトに直接向けられ、単一のピクセルで構成される検出器によって固定されます。 2番目のビーム(「参照」)はオブジェクトから離れて通過し、はるかに高い解像度を持つ2番目の検出器によって固定されます。つまり、多数のピクセルで構成されます。次に、科学者は両方の検出器で取得した画像を比較し、電子間の相関関係を考慮してオブジェクトの画像を再構築します(電子ビームが互いに絡み合っていることを思い出してください)。

言い換えれば、高解像度の2番目の検出器は、「ゴースト」(彼が見ることさえできないオブジェクト)の画像を撮影することがわかります。この場合、最初の検出器の単一ピクセルのサイズは何にも制限されないため、「信号」ビームの強度は「参照」ビームの強度よりも何倍も小さくなる可能性があります。非常に敏感。したがって、ゴーストイメージングは​​、画像の解像度と露光時間を観察に便利なレベルに維持しながら、壊れやすいオブジェクト(複雑な生体分子など)の破壊を回避します。

最近、科学者たちは、光子を他の絡み合った粒子に置き換えることによって、ゴーストの可視化の可能性を拡大しようとしています。特に、研究者たちは、X線またはヘリウム原子を使用して説明されたスキームを実装することに成功しました。しかし、最近まで、物理学者は電子を使用して幽霊のような可視化を実行することができませんでした。これは、光子と比較して少なくとも100万倍空間分解能を高めることができる粒子です。科学者を妨げた主な障害は、電子顕微鏡に特徴的なエネルギーで電子を「絡める」セパレーターの欠如でした。

Siqi Liが率いる科学者のグループは、3.2メガエレクトロンボルト(約4×10-13メートルの波長に対応)のオーダーのエネルギーを持つ絡み合った相対論的電子を使用して、オブジェクトの「幽霊のような」画像を初めて取得しました。このような電子を取得するために、研究者たちは紫外線レーザー(波長λ= 266ナノメートル、フラッシュ持続時間τ= 0.8ピコ秒)を銅の陰極に照射しました。電子の最終的な分布を制御するために、科学者は、紫外線ビームを再形成した160×160ピクセルのTI DLP-7000 DMDデジタルマイクロミラーデバイスを使用して、レーザーに横方向マスクを適用しました。科学者たちは、物事を簡単にするために、DMDピクセルを8x8または16x16の「マクロピクセル」に結合しました。新しいレーザーバーストが発生するたびに、DMDによって作成されたマスクが変更されました。 DMD光伝送ラインでの重大な損失のため、元のパルスエネルギーのわずか5%がカソードに到達しました。さらに、DMDの破壊を避けるために、パルスエネルギーは10マイクロジュールに制限されました。したがって、フラッシュ中にカソードで生成された電子の総電荷は、2.5×10-13クーロンを超えませんでした。

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実験セットアップ図

次に、陰極で形成された電子は、磁気レンズ(磁場強度が約1900ガウスのソレノイド)を使用して集束され、陰極から2.7メートルの距離にある蛍光スクリーンに向けられた。この場合、電子ビームはその軸を中心に回転しました。得られた斑点は直径約4ミリメートルでした。スクリーンから放出された放射線、科学者はCCDカメラで記録し、バックグラウンド電子の信号を破棄し、陰極から到着するすべての電子からの信号を追加しました。その結果、画面は1つの有効なピクセルで構成される大きな「信号」検出器として機能しました。この場合、「参照」画像は、DMDを使用して設定された電子ビームの初期プロファイルでした。それ以外の場合、検出器の動作原理は、ゴースト視覚化の「古典的な」方法と一致しました。物理学者によって作成されたプログラムは、DMDマスクとCCDカメラによって測定された信号強度との相関関係を探し、オブジェクトの画像を作成しました。研究中の。

その結果、科学者たちは、約100マイクロメートルの空間分解能を持つ単一ピクセルの信号を使用してオブジェクトの画像を再構成することができました。物理学者はまた、直径5 a、厚さaのリングの例を使用して、構築されたデバイスの動作を数値的にシミュレートしました。その画像は、それぞれがa×aを測定する100×100ピクセルの「参照」画面を使用して取得されます。 aは長さの単位です)。このシミュレーションは、DMDマスクを変更するために科学者が選択したスキームにより、わずか200回のレーザーフラッシュでリングの鮮明な画像を取得できることを示しました。一方、マスクが毎回ランダムに生成される「ランダム」スキームでは、 5000回点滅します。

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光学顕微鏡(左)とゴーストイメージング(右)で撮影した物体の画像

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与えられた(中央)マスクとランダム(右)マスクを使用して、リング(左)のゴースト視覚化を数値的にシミュレートします。

先月末、ドイツの科学者たちは「斜めの」電子ビームを受け取りました。その波面は粒子の運動方向に対してある角度で伝播します。このようなビームは、化学反応中に個々の原子を追跡できるポンププローブ顕微鏡の時間分解能を高めるのに役立ちます。そして今年の4月、ドイツの研究者の別のグループが、サンプルを通過する電子の波動関数の振幅だけでなく位相も考慮して、透過型電子顕微鏡法を改善し、ホログラムを記録できるようにしました。サンプルのサンプルを作成し、コンピューターモデリングを使用して内部構造を復元します。

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