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伯克利实验室升级“4D电镜” 可实现原子级视频

2月21日,美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)消息,该实验室透射电子像差校正显微镜(TEAM 0.5)已升级新的探测器——“4D摄像机”,可实现原子级视频拍摄。

  该高速探测器通过高速数据传输的方式与伯克利实验室的超级计算机相连,可以更快的速度捕获更多图像,并可在比以往更大的区域内显示原子级细节信息。(视频自:Marilyn Chung / Berkeley Lab)

  电子显微镜的问世为人类带来巨大进步——利用电子作为成像工具,突破传统光学显微镜所能达到的观察极限,为人类对纳米级世界的探寻打开新的一扇窗户,同时可以观察的样品种类也实现前所未有的极大丰富。

  但传统电子显微镜只能使用电子束与样品相互作用时可能产生信息的一部分,当前,伯克利国家实验室的一个团队设计了一种新型的电子探测器,可以实现捕获相互作用过程中的所有信息。

  这个新工具就是于2月12日安装在伯克利实验室分子铸造厂(一个纳米级科学用户设施)的超高速探测器,它能以更快的速度捕获到更多图像,揭示出比以往更大范围的原子级细节。分子铸造厂及其配置于美国国家电子显微镜中心(NCEM)的世界顶级电子显微镜为来自世界各地的研究人员提供了便利。

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图:伯克利实验室的透射电子像差校正显微镜(TEAM 0.5)已经升级为新的探测器,它可以以百万分之一秒的速度捕捉原子尺度的图像。(图片自:Thor Swift / Berkeley Lab)

  更快的成像还可以揭示样品观察过程中经历的重要变化,并提供独立快照的视频,这可以帮助科学家在样品损伤发生之前更好的在原子尺度探索工作过程中的电池和微芯片组件。

  该探测器与实验室的美国国家能源研究科学计算中心(NERSC)的Cori超级计算机有特殊的直接连接,将使科学家能够以微秒或百万分之一秒的时间记录原子尺度的图像——比现有探测器可能快60倍。

  分子铸造厂NCEM设备总监Andrew Minor 表示:“这是有史以来最快的电子探测器。它开启了高分辨率显微镜探索的新时代。过去没有人曾经在如此的分辨率下进行连续拍摄视频。观察过程中究竟发生了什么变化?可能会有各种各样的情况发生,我们只不过不知道,因为我们以往从未观察过它们。例如,这些新的视频可以揭示材料的微小变形和运动,并展示化学的作用。”

  此次开发的新型探测器被称作“4D摄像机”(用于动态衍射直接探测器)是伯克利实验室数十年来在电子显微镜、原子尺度成像、高速数据传输和计算等方面一系列开创性创新中的最新进展。

  伯克利实验室资深科学家、电子显微镜工具开发的长期先驱 Peter Denes表示:“我们的团队致力于为显微镜制造更好的探测器已经有一段时间了。你会得到一个完整的散射模式,而不仅仅是一个点,你可以回过头来重新分析数据,找到你之前没有关注的东西。通过用电子束扫过样品并根据散射的电子捕获信息,这种方法可以快速生成样品的完整图像。”

  分子铸造厂科学家Mary Scott表示:“这种新型探测器独特的几何结构,让人们可以同时研究材料中的轻质和重质元素。应用案例如测量轻元素的位置,尤其是针对可能对电子束非常敏感的材料(如电池材料中的锂),同时,理想状态下还需要精准地测量同一材料中重元素的位置。”

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  图左至右:伯克利实验室的Ian Johnson、Jim Ciston、Peter Denes和Peter Ercius正在对安装在TEAM 0.5上的新型超高速探测器4D摄像机进行故障排除(图片自: Thor Swift/Berkeley Lab)

  TEAM 0.5上安装了这种新型探测器。(10年前,分子铸造厂在NCEM上推出这种探测器时,就创下了高分辨率的记录,让来访的研究人员能够获得一些样品的单原子分辨率)探测器每分钟将产生4TB的数据。

  分子铸造厂专门研究3D原子级成像的科学家Peter Ercius说:“数据量相当于同时观看约6万部高清电影。”

  伯克利实验室NERSC的网络架构师Brent Draney表示,Ercius和Denes已经与NERSC联系,了解如何构建一个可以处理由4D Camera生成的巨大的400千兆位数据流的系统。他们的答复是:“我们实际上已经有了一个能够做到这一点的系统。我们真正需要做的是在显微镜和超级计算机之间建立一个网络。”

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  一名伯克利实验室研究人员在TEAM 0.5显微镜上工作。显微镜已经升级了一个名为4D相机的超高速探测器,可以为原子级图像提供百万分之一秒的帧速率。 (图片自:Thor Swift / Berkeley Lab)

  伯克利实验室工程部门的科学家Ian Johnson表示,相机数据通过大约100个光纤连接传输到高速以太网连接,速度比普通家庭网络快1000倍。该网络将分子铸造厂与NERSC的Cori超级计算机连接起来。

  伯克利实验室的能源科学网络(ESnet),连接研究中心与高速数据网络,参与了这项工作。

  Ercius说:“超级计算机将在大约20秒内分析数据,以便在显微镜下向科学家提供快速反馈,以判断实验是否成功。”

  另一位分子铸造工作人员科学家Jim Ciston表示:“我们实际上会捕获每个通过样品分散的电子。通过这个非常大的数据集,我们将能够对样本进行‘虚拟’实验——我们不必返回并从不同的成像条件中获取新数据。另外,此次新型探测器及支持数据系统的研究工作,也可以对其他需要生产大量数据的设施项目起到借鉴意义。比如高级光源及其计划的升级,以及SLAC国家加速器实验室的LCLS-II项目。”

  4D相机的开发得到了能源部基础能源科学办公室的加速器和探测器研究计划的支持,分子铸造厂的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持。

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  这款计算机芯片是4D相机的超高速探测器的一部分,该探测器是伯克利实验室分子铸造厂强大电子显微镜升级版的一部分。(图片自:Marilyn Chung / Berkeley Lab)

  劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)成立于1931年,其理念是最大的科学挑战最好由团队来解决。劳伦斯伯克利实验室建立以来,共培养了包括5位诺贝尔物理学奖得主和4位诺贝尔化学奖得主在内的13名诺贝尔奖得主(及机构)。劳伦斯伯克利国家实验室现在研究的领域非常宽泛,下设18个研究所和研究中心,涵盖了高能物理、地球科学、环境科学、计算机科学、能源科学、材料科学等多个学科。

  美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,是美国联邦政府的一个下属部门,主要负责美国联邦政府能源政策制定,能源行业管理,能源相关技术研发、武器研制等。