文/陳根

在2500年前，希臘哲學家們曾對物質的組成問題爭論不休。到了200年前，化學家們才在理論上發現了亞原子尺度上的結構。為了看到亞原子細微的結構，科學家也在不斷努力。

從16世紀的光學顯微鏡發明以來，20世紀初的電子顯微鏡突破了光學顯微鏡固有的衍射極限(大約 200 納米)。其能夠輕易分辨出單個原子，但對于亞原子尺度的世界，這個分辨率還遠遠不夠。

2018年，康奈爾大學應用與工程物理系(AEP)教授 David Muller與物理教授Sol Gruner、Veit Elser合作，開發出了當時世界上具有最高成像分辨率的的電子顯微鏡像素陣列探測器(EMPAD)。

電子顯微鏡之所以能夠獲得遠高于光學顯微鏡的分辨率，是因為其電子波長遠小于可見光的波長，但是電子顯微鏡的透鏡卻沒有這種相稱的精度。更為遺憾的是，電子顯微鏡的分辨率很大程度上取決于透鏡的數值孔徑。

在傳統相機中，數值孔徑是“f 值”(光圈值)的倒數，所以“f 值”越小，分辨率會越高。一般而言，一臺好相機的“f 值”大約稍小于 2，而電子顯微鏡的“f 值”大約在 100 左右。利用像差矯正器能將這個值降低到 40 左右，然而這遠遠不夠。

電子顯微鏡的透鏡存在一個固有的缺陷稱為像差，多年以來科學家一直在研究各種各樣的像差校正器，就像給顯微鏡配一副眼鏡，希望能夠消除這種像差。然而，像差校正器的作用始終有限。為了校正多重像差，必須使用一系列的校正單元，就像在眼鏡上套眼鏡再套眼鏡一樣，這就讓整個儀器變的臃腫、笨拙。

電子顯微鏡分辨率的前世界紀錄——亞埃級分辨率，其是在利用像差校正透鏡以及 300 keV(30 萬電子伏)超高電子束能量下獲得的。原子鍵的長度大約在一到兩個埃左右，所以亞埃級分辨率能夠使科學家輕松的分辨單個原子的圖像。   

而利用 EMPAD 探測器，Muller 團隊以單原子層厚度的單層二硫化鉬為觀測樣本，在不使用像差校正器的情況下，獲得了電子顯微鏡成像分辨率的最新世界紀錄——0.39 埃，這一突破打破了從前的分辨率紀錄。但由于技術原因，該機器只對幾個原子厚的超薄樣品起作用。

時隔三年，近日，康奈爾大學研究團隊又研發了一種新的電子顯微鏡像素陣列檢測器，其使用更精細的三維重建算法將他們2018年的記錄提高了2倍。該顯微鏡分辨率十分精細，唯一的模糊就是來自樣品本身的原子的熱抖動。從某種意義上來說，新的顯微鏡又創造了一個新的記錄。

該顯微鏡解決了光束在樣品研究中的多重散射問題，未來，有望為科學家們更精細化的事物研究開辟新的可能性。