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

약간 흔들리는 카메라로 아주 작고 반짝이는 개미를 선명하게 사진 찍으려고 노력하는 모습을 상상해 보세요. 이제 그 개미가 사실은 단 하나의 원자이고, 카메라는 바이러스보다 작은 것을 볼 수 있을 만큼 강력한 기계라고 상상해 보세요. 이것이 투과 전자 현미경(TEM)과 주사 투과 전자 현미경(STEM)의 세계입니다. 과학자들은 이 기계들을 사용하여 재료의 내부를 들여다보며, 컴퓨터 칩부터 새로운 의약품에 이르기까지 모든 것을 구축하기 위해 원자들이 어떻게 배열되는지 관찰합니다. 하지만 문제가 하나 있습니다. 세상에서 가장 안정적인 테이블이라 할지라도 진동하기 마련이며, 이 현미경 안의 아주 작은 샘플들은 열, 전기, 또는 기계 자체의 자연스러운 흔들림 때문에 "드리프트(drift, 밀림 현상)"하거나 미끄러지곤 합니다. 이는 마치 벌새가 공중에 떠 있는 동안 예술가의 손이 떨리고 있는 상태에서 완벽한 초상화를 그리려는 것과 같습니다. 사진을 찍는 동안 샘플이 아주 조금이라도 움직이면 결과는 흐릿한 덩어리가 됩니다. 수년 동안 과학자들은 많은 수의 빠르고 흔들리는 스냅샷을 찍은 다음, 나중에 컴퓨터로 그것들을 이어 붙이기를 시도하며 수학적 계산이 잘 맞아떨어지기를 기도해야 했습니다. 하지만 만약 카메라 자체가 사진을 찍는 동안 이미지를 완벽하게 고정할 수 있다면 어떨까요?

이 논문은 전자 현미경을 위한 초스마트 실시간 자동 조종 장치와 같은 역할을 하는 "동적 제어(dynamic control)"라는 영리한 새로운 기술을 소개합니다. 사진을 찍은 후 나중에 수정하는 대신, 이 시스템은 사진이 찍히는 동안 샘플의 움직임을 관찰하고 즉각적으로 샘플을 원래 위치로 밀어 넣어 제자리에 돌려놓습니다. 이는 드론에 달린 카메라가 새가 멀어지는 것을 보고 드론을 반대 방향으로 부드럽게 밀어 새를 프레임 중앙에 완벽하게 유지하는 것과 같습니다. 연구진은 카메라의 시야를 현미경의 스테이지(샘플을 지지하는 플랫폼)에 직접 연결하는 소프트웨어 "두뇌"를 구축했습니다. 이 두뇌는 눈 깜짝할 사이에 샘플이 얼마나 움직였는지 측정하고, 스테이지가 그 움직임을 상쇄할 수 있도록 딱 그만큼만 움직이라고 명령합니다. 결과는 어떠했을까요? 그들은 샘-플을 매우 정밀하게 안정시켜서, 샘플이 가열되거나 스트레스를 받는 상황에서도 이미지가 흐려지지 않고 매우 길고 선명한 원자 사진을 찍을 수 있었습니다. 그들은 이 방식이 다양한 유형의 현미경에서 작동함을 보여줌으로써, 하드웨어를 바꿀 필요 없이 단지 더 똑똑하게 생각하고 반응하는 방법을 제공하면 된다는 것을 증명했습니다.

문제점: 과학의 떨리는 손

전자 현미경을 궁극의 돋보기라고 생각해보세요. 이 기계는 불가능할 정도로 작은 것들을 보기 위해 빛 대신 전자 빔을 사용합니다. 하지만 빠르게 움직이는 피사체를 포착하려는 사진가처럼, 이 기계들도 "드리프트(drift)" 현상으로 어려움을 겪습니다. 드리프트란 사진을 찍는 시간 동안 샘플이 천천히 미끄러지거나 흔들리는 현상을 말합니다. 만약 명확하게 보기 위해 충분한 빛(이 경우에는 충분한 전자)을 모으려고 노출 시간을 길게 가져가야 한다면, 아주 작은 미끄러짐조차 사진을 망쳐 놓습니다.

전통적으로 과학자들은 수많은 짧고 빠른 사진을 찍은 다음 컴퓨터를 사용하여 그것들을 완벽하게 정렬하는 방식으로 이 문제를 해결했습니다. 이는 달리는 강아지의 흐릿한 사진 100장을 찍은 다음, 소프트웨어를 사용하여 강아지가 초점이 맞은 부분만을 잘라내어 이어 붙이는 것과 비슷합니다. 작동은 하지만, 매우 번거로운 작업입니다. 이는 거대한 파일을 생성하고, 많은 컴퓨터 성능을 요구하며, 때로는 강아지의 다리가 약간 늘어나거나 겹쳐 보이는 것과 같은 이상한 디지털 오류를 유발하기도 합니다. 게다가 그 과정에서 이미지의 가장자리 일부를 잃게 되기도 합니다.

해결책: "능동형 안정기(Active Stabilizer)"

저자들은 간단한 질문을 던졌습니다. 왜 사진을 찍은 후에 수정하는가? 사진을 찍는 동안 흔들림을 멈출 수는 없는가?

그들은 **동적 제어(dynamic control)**라고 불리는 시스템을 개발했습니다. 빗자루를 손 위에 세우고 균형을 잡는다고 상상해 보세요. 빗자루가 왼쪽으로 기울어지기 시작하면, 당신은 빗자루를 잡기 위해 손을 왼쪽으로 움직입니다. 오른쪽으로 기울어지면 오른쪽으로 움직입니다. 당신은 빗자루를 완벽하게 수직으로 유지하기 위해 이 과정을 끊임없이 반복합니다. 동적 제어 시스템은 현미경 샘플에 대해 정확히 이 작업을 수행합니다.

작동 방식은 다음과 같습니다:

1. 눈: 시스템은 현미경 카메라의 비디오 피드를 끊임없이 관찰합니다. 시스템은 이미지 내의 특정 특징(나노와이어의 가장자리나 특정 원자 등)을 참조점으로 선택합니다.
2. 두뇌: 소프트웨어 프로그램은 해당 특징의 현재 위치를 원래 있어야 할 위치와 비교합니다. 만약 특징이 아주 조금이라도 움직였다면, 두뇌는 그것이 어느 방향으로 얼마나 이동했는지 정확히 계산합니다.
3. 손: 두-뇌는 즉시 현미경 스테이지(샘플을 지지하는 플랫폼)에 명령을 보내, 드리프트를 상쇄하기 위해 반대 방향으로 움직이도록 합니다.
4. 루프: 이 과정은 초당 수천 번 반복됩니다. 시스템은 너무 빨라서 이미지가 흐려지기도 전에 샘플의 움직임에 반응할 수 있습니다.

"미세한 밀기"의 마법

연구진은 이 시스템을 두 가지 다른 유형의 현미경 스테이지, 즉 전통적인 기계식 스테이지와 고급 피에조(piezoelectric) 스테이지에서 테스트했습니다.

• 기계식 스테이지: 이것은 무겁고 튼튼한 탁자와 같습니다. 성능은 좋지만 다소 느리고 투박합니다. 연구팀은 이 무거운 스테이지를 사용하더라도 샘-플을 안정시켜 300초(5분) 동안 선명한 사진을 찍을 수 있다는 것을 발견했습니다. 시스템이 없다면 샘플은 약 8나노미터(상상하기 힘들 정도로 작은 거리이지만 이미지를 흐리게 만들기에는 충분한 거리) 정도 이동했을 것입니다. 시스템을 사용하면 샘플은 제자리에 머물렀고, 나노와이어의 가장자리는 여전히 날카롭게 유지되었습니다.
• 피에조 스테이지: 이것은 현미경 스테이지의 "스포츠카"입니다. 전기가 가해지면 수축하거나 팽창하는 특수 재료를 사용하여 믿을 수 없을 정도로 빠르고 미세한 움직임을 가능하게 합니다. 동적 제어 시스템을 사용하면 샘플을 피코미터(picometer) 단위까지 안정화할 수 있었습니다. 1 피코미터는 1미터의 1조 분의 1입니다. 이해를 돕기 위해 설명하자면, 만약 원자가 축구 경기장 크기라면, 1 피코미터는 모래알 한 알 정도의 크기입니다.

실제 환경 테스트: 열과 원자

이 방법이 단순히 조용한 실험실에서만 통하는 것이 아님을 증명하기 위해, 과학자들은 혹독한 상황에서 시스템을 테스트했습니다.

열 테스트: 그들은 은 나노입자 샘플을 특수 히터 위에 올려두고 온도를 25°C에서 200°C까지 높였습니다. 열은 보통 물체를 팽창시키고 격렬한 드리프트를 유발합니다. 동적 제어가 없다면 샘플은 약 40나노미터 이동했을 것이고, 과학자들은 원자를 볼 수 있는 시야를 놓쳤을 것입니다. 제어 시스템이 작동하는 동안 샘플은 완벽하게 중심을 유지했습니다. 그들은 열이 증가함에 따라 원자들이 재배열되는 과정을 관 o ㅂ할 수 있었으며, 전체 시간 동안 동일한 "시야(field of view)"를 유지할 수 있었습니다. 이는 카메라가 전혀 흔들리지 않은 채 원자들이 춤추는 영화를 보는 것과 같았습니다.

원자 사진: 그들은 또한 LSMO/BTO/LSMO라는 복잡한 재료의 고해상도 사진을 촬영했습니다. 총 270 프레임을 9분 동안 촬영했습니다.

• 시스템이 없을 때: 사진을 찍은 후 컴퓨터를 사용하여 나중에 정렬해야 했습니다. 이 과정은 이미지를 약간 매끄럽게 만들어 원자가 다소 흐릿하게 보이게 만들었습니다(마치 사진을 너무 확대했을 때처럼).
• 시스템이 있을 때: 270 프레임을 실시간으로 단순히 합치기만 하면 되었습니다. 결과는 모든 원자가 날카롭고 뚜렷하게 보이는 결정적인 이미지였습니다. 디지털 오류도 없었고, 가장자리 손실도 없었으며, 시스템이 원자의 위치를 추측할 필요 없이 제자리에 잡아두었기 때문에 이미지가 훨씬 더 선명했습니다.

이것이 왜 중요한가

이 발견의 아름다운 점은 새로운 값비싼 현미경을 만들 필요가 없다는 것입니다. 연구진은 이를 서로 다른 제조사의 기존 기계들과 호환되는 소프트웨어 플러그인으로 제작했습니다. 이는 마치 엔진을 바꾸지 않고도 오래된 자동차에 새롭고 아주 스마트한 GPS와 자율 주행 시스템을 달아주는 것과 같습니다.

샘플을 완벽하게 고정함으로써 과학자들은 다음과 같은 일을 할 수 있습니다:

• 더 희미한 세부 사항을 보기 위해 더 긴 시간 동안 사진을 찍을 수 있습니다.
• 시야를 잃지 않고 화학 반응이나 물리적 변화가 일어나는 것을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.
• 재료 내부의 변형률(strain)이나 전기장 같은 것들을 측정하기 위한 더 깨끗한 데이터를 얻을 수 있습니다.

이 논문은 이 "능동형 안정기"를 사용함으로써, 우리가 수십 년 동안 포착하려고 노력해 온 원자 세계의 완벽하고 긴 노출 사진을 마침내 찍을 수 있음을 보여줍니다. 이는 미시 세계의 흔들리고 흐릿한 시야를 안정적이고 고해상도인 창문으로 바꾸어 놓으며, 우리가 이전에는 결코 명확하게 볼 수 없었던 것들을 볼 수 있는 문을 열어줍니다.