Picometre-scale real-time drift correction in TEM and STEM by dynamic control of the specimen stage for atomic-resolution imaging

少し手ブレするカメラを使って、小さくてキラキラ輝くアリの、極めて鮮明な写真を撮ろうとしている場面を想像してみてください。次に、そのアリが実は一つの「原子」であり、カメラがウイルスよりも小さなものを見ることができるほど強力な機械であると想像してください。これが、透過電子顕微鏡（TEM）と走査電子顕微鏡（STEM）の世界です。科学者たちはこれらの機械を使って材料の内部を覗き込み、コンピュータチップから新しい医薬品に至るまで、あらゆるものを構築するために原子がどのように配列しているのかを観察しています。しかし、そこには落とし穴があります。世界で最も安定したテーブルであっても振動するものですし、顕微鏡の中にある極めて小さなサンプルは、熱や電気、あるいは機械の自然な揺れによって「ドリフト（漂流）」したり、滑ったりすることがよくあります。それは、ハミングバード（ハチドリ）がホバリングしている間に、芸術家が震える手で完璧な肖像画を描こうとするようなものです。もし、カメラが長時間露光の写真を撮っている間にサンプルがほんの少しでも動いてしまうと、結果はぼやけた惨状になってしまいます。長年、科学者たちは多くの素早くブレたスナップショットを撮り、後でコンピュータ上でそれらを繋ぎ合わせることを試みてきました。そして、数学的な計算がうまくいくことを祈るしかありませんでした。しかし、もしカメラ自体が、写真を撮っている間、画像を完璧に静止させておくことができたらどうでしょうか？

この論文は、「ダイナミック・コントロール（動的制御）」と呼ばれる、電子顕微鏡のためのスーパー・スマートなリアルタイム・オートパイロットのような、巧妙な新しいトリックを紹介しています。写真を撮った後に修正するのではなく、このシステムは写真が撮られている間にサンプルの動きを監視し、即座にサンプルを元の位置へと押し戻します。これは、ドローンのカメラが鳥が離れていくのを見て、鳥がフレームの中央に完璧に留まるように、ドローンを反対方向に優しく押し戻すようなものです。研究者たちは、カメラの視界を顕微鏡のステージ（サンプルを保持するプラットフォーム）に直接接続するソフトウェアの「脳」を構築しました。この脳は、瞬きする間にサンプルがどれだけ動いたかを測定し、ステージに対して、それを打ち消すのに十分な量だけ逆方向に動くよう指示を出します。その結果はどうでしょうか？ 彼らは、サンプルを極めて精密に安定させることに成功し、サンプルに熱が加えられたりストレスを与えられたりしている最中でも、ぼやけることなく、驚くほど長く鮮明な原子の写真を撮ることができました。彼らはこれが異なる種類の顕微鏡でも機能することを示し、機械のハードウェアを変更する必要はなく、ただより賢い思考と反応のさせ方を与えるだけでよいことを証明しました。

問題点：科学の震える手

電子顕微鏡を、究極の拡大鏡と考えてみてください。それは、ありえないほど小さなものを見るために、光の代わりに電子ビームを使用します。しかし、速く動く被写体を捉えようとする写真家のように、これらの機械は「ドリフト」に苦戦します。ドリフトとは、カメラが写真を撮っている間に、サンプルがゆっくりと滑ったり、揺れたりすることです。もし、クリアに見えるように十分な光（この場合は十分な電子）を集めるために、長時間露光の写真を撮る必要がある場合、わずかな滑りさえも写真を台無しにしてしまいます。

伝統的に、科学者たちは多くの短く素早い写真を積み重ね、コンピュータを使ってそれらを完璧に並べることで対処してきました。それは、走っている犬のブレた写真を100枚撮り、ソフトウェアを使って犬がピントに合っている部分を切り取って貼り合わせるようなものです。それは機能しますが、乱雑です。巨大なファイルを作成し、多くのコンピュータ・パワーを必要とし、時には犬の足が少し伸びたり二重に見えたりするような、奇妙なデジタル・グリッチ（不具合）を引き起こします。さらに、その過程で画像の端の部分を失ってしまうこともあります。

解決策：「アクティブ・スタビライザー」

この論文の著者たちは、シンプルな問いを投げかけました。「なぜ写真を撮った後に修正するのか？ なぜ、写真を撮っている間に揺れを止めないのか？」

彼らは「ダイナミック・コントロール」と呼ばれるシステムを開発しました。ほうきを手のひらでバランスさせる場面を想像してください。もしほうきが左に傾き始めたら、あなたは左に手を動かしてキャッチします。右に傾いたら、右に動きます。あなたはこれを絶えず行い、小さな調整を繰り返すことで、ほうきを完全に垂直に保ちます。ダイナミック・コントロール・システムは、顕微鏡のサンプルに対してまさにこれを行います。

仕組みは以下のステップによるものです：

1. 目： システムは、顕微鏡のカメラからのビデオフィードを常に監視しています。画像内の特定の特徴（ナノワイヤの端や特定の原子など）を、リファレンス・ポイント（基準点）として選び出します。
2. 脳： ソフトウェア・プログラムが、その特徴の現在の位置を、あるべき位置と比較します。もしその特徴がほんの少しでも動いた場合、脳はその特徴がどの方向にどれだけ動いたかを正確に計算します。
3. 手： 脳は即座に、顕微鏡のステージ（サンプルを保持するプラットフォーム）に対して、ドリフトを打ち消すために反対方向へ動くようコマンドを送ります。
4. ループ： これは、1秒間に何千回もの頻度で繰り返されます。システムは非常に高速であるため、ブレが生じる前にサンプルの動きに反応することができます。

「小さな押し戻し」の魔法

研究者たちは、これを2種類の異なる顕微鏡ステージでテストしました。一つは伝統的なメカニカル・ステージ、もう一つは高度なピエゾ電気式ステージです。

• メカニカル・ステージ： これは、重くて頑丈なテーブルのようなものです。優れたものですが、動作は少し遅く、無骨です。チームは、この重いステージを使用しても、300秒（5分間）の間、サンプルを十分に安定させてクリアな写真を撮れることを発見しました。このシステムがなければ、サンプルは約8ナノメートル（想像しにくいほど微小な距離ですが、画像をぼやけさせるには十分な距離です）ドリフトしていたはずです。システムを使用することで、サンプルは定位置に留まり、ナノワイヤのエッジは鮮明なまま維持されました。
• ピエゾ電気式ステージ： これは、顕微鏡ステージにおける「スポーツカー」です。電気をかけると収縮または膨張する特殊な材料を使用しており、極めて高速かつ微細な動きを可能にします。このステージを使用すると、ダイナミック・コントロール・システムは、サンプルをピコメートルスケールまで安定させることができました。ピコメートルとは、1兆分の1メートルのことです。例えるなら、もし原子がサッカー場ほどの大きさだとしたら、ピコメートルは砂粒ほどの大きさになります。

実世界のテスト：熱と原子

これが単に静かなラボでの手法ではないことを証明するために、科学者たちは過酷な状況下でシステムをテストしました。

熱のテスト： 彼らは銀のナノ粒子のサンプルを特殊なヒーターの上に置き、温度を25℃から200℃まで上昇させました。熱は通常、物の膨張や激しいドリフトを引き起こします。ダイナミック・コントロールがなければ、サンプルは約40ナノメートル移動し、科学者たちは原子の視界を失ってしまいます。コントロール・システムが作動している状態では、サンプルは完璧に中央に留まりました。彼らは、熱が増していく過程で原子が再配列していく様子を、カメラが一度も揺れることなく、同じ「視野」を維持したまま観察することができました。それは、カメラが揺れることなく、原子が踊る様子を映画のように見ているようなものでした。

原子の写真： 彼らはまた、LSMO/BTO/LSMOと呼ばれる複雑な材料の高解像度写真も撮影しました。9分間で270フレームを撮影しました。

• システムなしの場合： 写真を撮った後、コンピュータを使って後で整列させる必要がありました。このプロセスは画像をわずかに滑らかにしてしまい、ズームしすぎた写真のように、原子が少しぼやけて見える原因となりました。
• システムありの場合： 270フレームをリアルタイムで単純に加算しました。その結果、すべての原子が鋭く識別できる、クリスタル・クリアな画像が得られました。デジタル・グリッチも、失われたエッジもなく、システムが原子の場所を推測する必要がなく、常に本来あるべき場所に留めていたため、画像はより鮮明になりました。

なぜこれが重要なのか

この発見の素晴らしさは、新しい高価な顕微鏡を構築する必要がないという点にあります。研究者たちは、異なるメーカーの既存の機械でも動作するソフトウェア・プラグインとしてこれを構築しました。これは、エンジンの変更なしに、古い車に新しいスーパー・スマートなGPSと自動運転システムを取り付けるようなものです。

サンプルを完璧に静止させることで、科学者は以下のことが可能になります：

• より微細な詳細を見るために、より長い時間の写真を撮ること。
• 化学反応や物理的な変化が起こる様子を、視界を失うことなくリアルタイムで観察すること。
• 材料内部の歪みや電界などの測定のために、よりクリーンなデータを得ること。

この論文は、この「アクティブ・スタビライザー」を使用することで、私たちが何十年もの間、捉えようと試みてきた原子の世界の完璧な長時間露光写真を、ついに撮ることができるようになることを示しています。それは、微視的世界の揺れてぼやけた視界を、安定した高精細な窓へと変え、これまで明確に見ることができなかったものを見るための扉を開くのです。