From phase analysis to phase tracking: a robust approach to atomic-scale strain mapping
本文介绍了几何相位追踪分析（GPTA），这是一种通过在倒易空间中动态追踪布拉格反射来克服标准几何相位分析（GPA）局限性的鲁棒方法，从而在多种成像条件和材料中显著降低失效率并提高原子级应变映射的准确性。
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在物质最微小的结构内部，原子排列成完美的晶格，其中最重要的属性通常是这些晶格被拉伸或挤压的程度。这种拉伸被称为应变（strain），它就像一个隐藏的旋钮，控制着材料如何导电、如何响应磁场以及其强度如何。为了观察这种拉伸，科学家使用强大的显微镜来成像单个原子。然而，测量精确的拉伸量非常困难，因为原子太小，且图像通常含有大量噪声。二十多年来，这项工作的标准工具是一种被称为几何相位分析（geometric phase analysis）的方法。它通过观察显微镜图像中光与暗的图案，来计算原子晶格偏离其完美形状的程度。虽然这种方法非常有用，但它有一个致命的弱点：它依赖于一套固定的规则，这些规则假设原子晶格基本上是均匀的。当晶格发生扭曲、弯曲，或者由于为了避免损坏样品而使用极低光照进行成像时，这种标准工具往往会失效，产生充满错误或完全缺失数据的图谱。
现在，一组研究人员引入了一种名为几何相位追踪分析（geometric phase tracking analysis）的新方法，通过改变测量方式解决了这些问题。该方法不再使用贯穿整个图像的单一、不变的参考点，而是在移动过程中不断更新其参考点。想象一下，尝试使用一个只能在道路笔直时工作的水平仪来测量蜿蜒山路的坡度；旧方法就像那个水平仪，每当道路弯曲时就会陷入困境。新方法则像一位随身携带水平仪的测量员，在每走一步时都会根据当地的曲线进行调整。通过实时追踪原子图案的位置，这种新技术即使在晶格旋转、样品不同部分取向不同，或者图像噪声过大导致旧方法无法工作时，也能紧跟晶格的变化。
研究人员在超过13,000张模拟图像和铂（platinum）晶体的真实实验照片上测试了这种新方法。在这些测试中，旧方法在27%的情况下无法生成正确的图谱，尤其是在材料承受高应变或为了保护样品而使用低剂量电子束成像的情况下。这种新的追踪方法将失败率降低到了仅为11.5%。在旧方法完全崩溃的情况下，新方法测量的应变精度提高了高达335倍。它成功绘制了两个不同晶体交界处的应变图谱，识别了原子结构中缺陷的确切位置，并且即使在图像极其嘈杂的情况下也能清晰工作。至关重要的是，它无需拍摄更多照片或使用更强大的设备，只需通过更智能地处理现有数据即可实现这一目标。
这种改进的核心在于该方法如何处理图像中所包含的信息。旧技术观察整个图像，并使用一个平均图案作为引导。如果图像中特定部分的实际图案偏离了这个平均值，测量就会变得不可靠。然而，新方法从一个猜测开始，然后不断进行优化。它观察图像，计算原子的实际位置，然后利用这些新信息来更新下一步的引导。这个过程重复几次，使方法能够锁定材料中每一个点的局部结构。由于它确切知道图案应该在哪里，因此可以使用更严密的滤波器来阻挡噪声，而旧方法如果不这样做就会丢失信号。这种对样本的适应能力意味着科学家现在可以研究那些会被旧技术所需的高剂量电子束破坏的脆弱材料，为理解对光束敏感的生物和化学样本中的应变打开了大门。
研究人员还发现，这种新方法更擅长处理复杂的缺陷，例如不同晶粒之间的边界或原子顺序被破坏的位错核心。在旧方法中，如果图像的一部分发生畸变，或者由于样品的厚度导致特定图案消失，整个测量结果可能会受到干扰。新方法将图像的每个部分视为独立的部分，然后将结果结合起来，并根据数据的置信度进行加权。如果图像的某一部分不清晰，该方法会更多地依赖于较清晰的部分来填补空白。这使得最终的图谱即使在样品不完美或成像条件具有挑战性的情况下，依然稳健且可靠。研究证实，通过从静态分析转向动态追踪过程，科学家现在可以以前所未有的清晰度和可靠性观察材料中的原子级应变，从而为理解塑造我们周围材料属性的力量提供更清晰的视角。
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