91儀器信息網(wǎng)訊 2月21日，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)消息，該實(shí)驗(yàn)室透射電子像差校正顯微鏡(TEAM 0.5)已升級(jí)新的探測(cè)器——“4D攝像機(jī)”，可實(shí)現(xiàn)原子級(jí)視頻拍攝。

以上視頻概述了伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠使用超高速探測(cè)器(4D相機(jī))升級(jí)電子顯微鏡的研發(fā)工作。該高速探測(cè)器通過高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞脚c伯克利實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)相連，可以更快的速度捕獲更多圖像，并可在比以往更大的區(qū)域內(nèi)顯示原子級(jí)細(xì)節(jié)信息。(視頻自：Marilyn Chung / Berkeley Lab)

電子顯微鏡的問世為人類帶來巨大進(jìn)步——利用電子作為成像工具，突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡所能達(dá)到的觀察極限，為人類對(duì)納米級(jí)世界的探尋打開新的一扇窗戶，同時(shí)可以觀察的樣品種類也實(shí)現(xiàn)前所未有的極大豐富。

但傳統(tǒng)電子顯微鏡只能使用電子束與樣品相互作用時(shí)可能產(chǎn)生信息的一部分，當(dāng)前，伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的電子探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)捕獲相互作用過程中的所有信息。

這個(gè)新工具就是于2月12日安裝在伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠(一個(gè)納米級(jí)科學(xué)用戶設(shè)施)的超高速探測(cè)器，它能以更快的速度捕獲到更多圖像，揭示出比以往更大范圍的原子級(jí)細(xì)節(jié)。分子鑄造廠及其配置于美國(guó)國(guó)家電子顯微鏡中心(NCEM)的世界頂級(jí)電子顯微鏡為來自世界各地的研究人員提供了便利。

圖：伯克利實(shí)驗(yàn)室的透射電子像差校正顯微鏡(TEAM 0.5)已經(jīng)升級(jí)為新的探測(cè)器，它可以以百萬分之一秒的速度捕捉原子尺度的圖像。(圖片自：Thor Swift / Berkeley Lab)

更快的成像還可以揭示樣品觀察過程中經(jīng)歷的重要變化，并提供獨(dú)立快照的視頻，這可以幫助科學(xué)家在樣品損傷發(fā)生之前更好的在原子尺度探索工作過程中的電池和微芯片組件。

該探測(cè)器與實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)的Cori超級(jí)計(jì)算機(jī)有特殊的直接連接，將使科學(xué)家能夠以微秒或百萬分之一秒的時(shí)間記錄原子尺度的圖像——比現(xiàn)有探測(cè)器可能快60倍。

分子鑄造廠NCEM設(shè)備總監(jiān)Andrew Minor 表示：“這是有史以來最快的電子探測(cè)器。它開啟了高分辨率顯微鏡探索的新時(shí)代。過去沒有人曾經(jīng)在如此的分辨率下進(jìn)行連續(xù)拍攝視頻。觀察過程中究竟發(fā)生了什么變化?可能會(huì)有各種各樣的情況發(fā)生，我們只不過不知道，因?yàn)槲覀円酝鶑奈从^察過它們。例如，這些新的視頻可以揭示材料的微小變形和運(yùn)動(dòng)，并展示化學(xué)的作用。”

此次開發(fā)的新型探測(cè)器被稱作“4D攝像機(jī)”(用于動(dòng)態(tài)衍射直接探測(cè)器)是伯克利實(shí)驗(yàn)室數(shù)十年來在電子顯微鏡、原子尺度成像、高速數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算等方面一系列開創(chuàng)性創(chuàng)新中的最新進(jìn)展。

伯克利實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家、電子顯微鏡工具開發(fā)的長(zhǎng)期先驅(qū) Peter Denes表示：“我們的團(tuán)隊(duì)致力于為顯微鏡制造更好的探測(cè)器已經(jīng)有一段時(shí)間了。你會(huì)得到一個(gè)完整的散射模式，而不僅僅是一個(gè)點(diǎn)，你可以回過頭來重新分析數(shù)據(jù)，找到你之前沒有關(guān)注的東西。通過用電子束掃過樣品并根據(jù)散射的電子捕獲信息，這種方法可以快速生成樣品的完整圖像?！?/p>

分子鑄造廠科學(xué)家Mary Scott表示：“這種新型探測(cè)器獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，讓人們可以同時(shí)研究材料中的輕質(zhì)和重質(zhì)元素。應(yīng)用案例如測(cè)量輕元素的位置，尤其是針對(duì)可能對(duì)電子束非常敏感的材料(如電池材料中的鋰)，同時(shí)，理想狀態(tài)下還需要精準(zhǔn)地測(cè)量同一材料中重元素的位置。”

圖左至右:伯克利實(shí)驗(yàn)室的Ian Johnson、Jim Ciston、Peter Denes和Peter Ercius正在對(duì)安裝在TEAM 0.5上的新型超高速探測(cè)器4D攝像機(jī)進(jìn)行故障排除(圖片自： Thor Swift/Berkeley Lab)

TEAM 0.5上安裝了這種新型探測(cè)器。(10年前，分子鑄造廠在NCEM上推出這種探測(cè)器時(shí)，就創(chuàng)下了高分辨率的記錄，讓來訪的研究人員能夠獲得一些樣品的單原子分辨率)探測(cè)器每分鐘將產(chǎn)生4TB的數(shù)據(jù)。

分子鑄造廠專門研究3D原子級(jí)成像的科學(xué)家Peter Ercius說：“數(shù)據(jù)量相當(dāng)于同時(shí)觀看約6萬部高清電影?！?/p>

伯克利實(shí)驗(yàn)室NERSC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師Brent Draney表示，Ercius和Denes已經(jīng)與NERSC聯(lián)系，了解如何構(gòu)建一個(gè)可以處理由4D Camera生成的巨大的400千兆位數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)。他們的答復(fù)是：“我們實(shí)際上已經(jīng)有了一個(gè)能夠做到這一點(diǎn)的系統(tǒng)。我們真正需要做的是在顯微鏡和超級(jí)計(jì)算機(jī)之間建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

一名伯克利實(shí)驗(yàn)室研究人員在TEAM 0.5顯微鏡上工作。顯微鏡已經(jīng)升級(jí)了一個(gè)名為4D相機(jī)的超高速探測(cè)器，可以為原子級(jí)圖像提供百萬分之一秒的幀速率。 (圖片自：Thor Swift / Berkeley Lab)

伯克利實(shí)驗(yàn)室工程部門的科學(xué)家Ian Johnson表示，相機(jī)數(shù)據(jù)通過大約100個(gè)光纖連接傳輸?shù)礁咚僖蕴W(wǎng)連接，速度比普通家庭網(wǎng)絡(luò)快1000倍。該網(wǎng)絡(luò)將分子鑄造廠與NERSC的Cori超級(jí)計(jì)算機(jī)連接起來。

伯克利實(shí)驗(yàn)室的能源科學(xué)網(wǎng)絡(luò)(ESnet)，連接研究中心與高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，參與了這項(xiàng)工作。

Ercius說：“超級(jí)計(jì)算機(jī)將在大約20秒內(nèi)分析數(shù)據(jù)，以便在顯微鏡下向科學(xué)家提供快速反饋，以判斷實(shí)驗(yàn)是否成功?！?/p>

另一位分子鑄造工作人員科學(xué)家Jim Ciston表示：“我們實(shí)際上會(huì)捕獲每個(gè)通過樣品分散的電子。通過這個(gè)非常大的數(shù)據(jù)集，我們將能夠?qū)颖具M(jìn)行‘虛擬’實(shí)驗(yàn)——我們不必返回并從不同的成像條件中獲取新數(shù)據(jù)。另外，此次新型探測(cè)器及支持?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)的研究工作，也可以對(duì)其他需要生產(chǎn)大量數(shù)據(jù)的設(shè)施項(xiàng)目起到借鑒意義。比如高級(jí)光源及其計(jì)劃的升級(jí)，以及SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的LCLS-II項(xiàng)目。”

4D相機(jī)的開發(fā)得到了能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的加速器和探測(cè)器研究計(jì)劃的支持，分子鑄造廠的工作得到了美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的支持。

這款計(jì)算機(jī)芯片是4D相機(jī)的超高速探測(cè)器的一部分，該探測(cè)器是伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠強(qiáng)大電子顯微鏡升級(jí)版的一部分。(圖片自：Marilyn Chung / Berkeley Lab)

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)成立于1931年，其理念是最大的科學(xué)挑戰(zhàn)最好由團(tuán)隊(duì)來解決。勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室建立以來，共培養(yǎng)了包括5位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主和4位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主在內(nèi)的13名諾貝爾獎(jiǎng)得主(及機(jī)構(gòu))。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在研究的領(lǐng)域非常寬泛，下設(shè)18個(gè)研究所和研究中心，涵蓋了高能物理、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。

美國(guó)能源部科學(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，是美國(guó)聯(lián)邦政府的一個(gè)下屬部門，主要負(fù)責(zé)美國(guó)聯(lián)邦政府能源政策制定，能源行業(yè)管理，能源相關(guān)技術(shù)研發(fā)、武器研制等。