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

想象一下，你正试图用一台轻微晃动的相机，为一只闪闪发光的微小蚂蚁拍摄一张清晰无比的照片。现在，想象那只蚂蚁其实是一个原子，而相机是一台强大到足以看清比病毒还要小的物体的机器。这就是透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）的世界。科学家们利用这些机器窥探材料内部，观察原子如何排列组合，从而构建出从计算机芯片到新药品的各种事物。但问题在于：即使是世界上最稳固的桌子也会发生震动，而显微镜中的微小样品往往会因为热量、电荷或仅仅是机器的自然晃动而产生“漂移”或滑动。这就像是在尝试为一只正在悬停的蜂鸟绘制一幅完美的肖像，而画家的手还在颤抖。如果相机在拍摄长曝光照片时，样品移动了哪怕极其微小的一点，结果都会变成一片模糊。多年来，科学家们不得不拍摄许多快速且晃动的快照，然后试图在电脑上将它们拼接在一起，并寄希望于数学计算能够奏效。但如果相机本身能在拍照时就能完美地固定住画面呢？

本文介绍了一种被称为“动态控制”的聪明妙招，它就像是电子显微镜的一个超级智能、实时的自动驾驶系统。它不再是拍下一张模糊的照片然后再去修复，而是会在拍照的同时观察样品的移动，并立即将样品推回原位。这就像是一个无人机上的相机，它能看到鸟儿正在飘走，并轻轻地推动无人机向相反方向移动，以保持鸟儿在画面中心。研究人员构建了一个软件“大脑”，将相机的视野直接连接到显微镜的载物台（承载样品的平台）上。这个大脑测量样品在眨眼间移动了多少，并指示载物台进行补偿性移动。结果如何？他们成功地稳定了样品，使其精确度之高，甚至可以拍摄极其清晰的原子长曝光照片，即便是在样品受到加热或压力的情况下也不会模糊。他们证明了这种方法适用于不同类型的显微镜，证明了你不需要更换机器的硬件，只需要给它一个更聪明、反应更迅速的思考方式。

问题所在：科学界的“颤抖之手”

把电子显微镜想象成一个终极放大镜。它使用电子束而不是光来观察那些微小到无法想象的事物。但就像摄影师试图捕捉快速移动的主体一样，这些机器也面临着“漂移”的困扰。漂移是指在相机拍照期间，样品缓慢滑动或摇晃的现象。如果你正在拍摄一张需要长时间开启以收集足够光线（或者在这种情况下，收集足够电子）才能看清的照片，那么哪怕极其微小的滑动都会毁掉整张图片。

传统上，科学家通过拍摄许多短促、快速的照片堆叠，然后使用计算机将它们完美对齐来解决这个问题。这有点像拍了一百张奔跑中的狗的模糊照片，然后使用软件剪切出狗处于焦点位置的部分并把它们粘贴在一起。这虽然可行，但很麻烦。它会产生巨大的文件，消耗大量的计算能力，有时还会引入奇怪的数字故障，比如狗的腿看起来稍微拉长或重影。此外，在这个过程中你会丢失图像的一部分边缘。

解决方案：“主动稳定器”

本文作者提出了一个简单的问题：为什么要等照片拍完后再去修复？为什么不在拍照的同时阻止晃动呢？

他们开发了一个名为动态控制的系统。想象一下你在用手平衡一根扫帚。如果扫帚开始向左倾斜，你就向左移动手去接住它；如果向右倾斜，你就向右移动。你不断地进行微小、快速的调整，以保持扫帚完美垂直。动态控制系统正是为显微镜样品做同样的事情。

其工作原理分步如下：

1. 眼睛： 系统不断观察来自显微镜相机的视频流。它会在图像中选取一个特定的特征（如纳米线的边缘或特定的原子）作为参考点。
2. 大脑： 一个软件程序会将当前特征的位置与它“应该”在的位置进行比较。如果该特征移动了哪怕极其微小的一点，大脑就会计算出它移动的具体距离和方向。
3. 手： 大脑会立即向显微镜的载物台（持有样品的平台）发送指令，让其向相反方向移动，从而抵消漂移。
4. 循环： 这个过程每秒钟会重复发生数千次。该系统运行得如此之快，以至于在模糊现象形成之前，它就能对样品的移动做出反应。

“微小推动”的魔力

研究人员在两种不同类型的显微镜载物台上测试了这一技术：传统的机械式载物台和先进的新型压电式载物台。

• 机械式载物台： 可以把它想象成一张沉重、稳固的桌子。它很好用，但动作有些迟缓和笨重。团队发现，即使使用这种沉重的载物台，他们也能让样品保持足够稳定，从而拍摄长达 300 秒（5 分钟）的清晰照片。如果没有该系统，样品会漂移约 8 纳米（这是一个难以想象的微小距离，但足以导致图像模糊）。有了该系统，样品保持不动，纳米线的边缘依然锐利。
• 压电式载物台： 这是显微镜载物台中的“跑车”。它使用特殊的材料，在施加电流时会收缩或膨胀，从而实现极其快速且微小的移动。使用这种载物台时，动态控制系统可以将样品稳定在皮米尺度。一个皮米是万亿分之一米。为了直观理解，如果一个原子的大小相当于一个足球场，那么一个皮米大约只有一粒沙子那么大。

现实世界测试：热量与原子

为了证明这不仅仅是一种在安静实验室里的方法，科学家们在一些严苛的环境下测试了该系统。

高温测试： 他们将银纳米颗粒样品放在一个特殊的加热器上，并将温度从 25°C 提高到 200°C。热量通常会导致物体膨胀并产生剧烈的漂移。如果没有动态控制，样品会移动约 40 纳米，科学家们会失去对原子的观察。在动态控制系统激活的情况下，样品保持完美居中。他们可以观察原子随着热量增加而重新排列的过程，并始终保持相同的“视野”。这就像是在看一部原子的舞蹈电影，而摄像机从未发生过晃动。

原子照片： 他们还对一种名为 LSMO/BTO/LSMO 的复杂材料进行了高分辨率拍摄。他们拍摄了 270 帧图像，历时 9 分钟。

• 没有该系统时： 他们必须先拍下照片，然后稍后用计算机进行对齐。这个过程会让图像略微平滑化，使原子看起来有些模糊，就像照片被过度放大了。
• 有了该系统后： 他们只需实时将这 270 帧图像叠加在一起。结果是一张晶莹剔透的图像，每一个原子都清晰且分明。没有数字故障，没有丢失边缘，而且由于系统并没有去“猜测”原子在哪里，而是始终让原子保持在应有的位置，因此图像更加锐利。

为什么这很重要

这项发现的美妙之处在于，它不需要建造一台新的、昂贵的显微镜。研究人员将其开发为一个软件插件，可以与不同制造商的现有机器配合使用。这就像是给一辆旧车安装了全新的、超智能的 GPS 和自动驾驶系统，而无需更换引擎。

通过保持样品完美静止，科学家们可以：

• 拍摄更长时间的照片，以观察更微弱的细节。
• 实时观察化学反应或物理变化，而不会丢失视野。
• 获取更干净的数据，用于测量材料内部的应变或电场等属性。

论文表明，通过使用这种“主动稳定器”，我们终于可以捕捉到几十年来一直试图捕捉的原子世界的完美长曝光照片。它将微观世界那摇晃、模糊的视角，转变为一个稳定、高清晰度的窗口，为观察那些我们以前无法清晰看到的景象打开了大门。