Los avances en la microscopía electrónica, que utilizan electrones como herramientas de imagen para ver cosas mucho más allá del alcance de los microscopios convencionales que usan luz, han abierto una nueva ventana al mundo de la nanoescala y han enfocado una amplia gama de muestras como nunca antes.

Los experimentos de microscopía electrónica solo pueden usar una fracción de la posible información generada cuando el haz de electrones del microscopio interactúa con las muestras. Ahora, Un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha diseñado un nuevo tipo de detector de electrones que captura toda la información en estas interacciones.

Esta nueva herramienta, un detector ultrarrápido instalado el 12 de febrero en la fundición molecular de Berkeley Lab, una instalación para usuarios científicos a nanoescala, captura más imágenes a un ritmo más rápido, revelando detalles a escala atómica en áreas mucho más grandes de lo que era posible antes. Molecular Foundry y sus microscopios electrónicos de clase mundial en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) brindan acceso a investigadores de todo el mundo.

Imágenes más rápidas también pueden revelar cambios importantes que están experimentando las muestras y proporcionar películas frente a instantáneas aisladas. Podria, por ejemplo, ayudar a los científicos a explorar mejor los componentes de la batería y el microchip en funcionamiento a escala atómica antes de que se produzcan daños.

El detector que tiene una conexión directa especial con la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Laboratorio, permitirá a los científicos registrar imágenes a escala atómica con tiempos medidos en microsegundos, o millonésimas de segundo:60 veces más rápido de lo que es posible con los detectores existentes.

"Es el detector de electrones más rápido jamás fabricado, "dijo Andrew Minor, Director de instalaciones de NCEM en Molecular Foundry.

"Abre un nuevo régimen de tiempo para explorar con microscopía de alta resolución. Nadie ha tomado nunca películas continuas con esta resolución de tiempo" utilizando imágenes de electrones, él dijo. "¿Qué sucede allí? Hay todo tipo de dinámicas que pueden suceder. Simplemente no lo sabemos porque nunca antes habíamos podido verlas". Las nuevas películas podrían revelar pequeñas deformaciones y movimientos en materiales, por ejemplo, y mostrar la química en acción.

El desarrollo del nuevo detector, conocida como la "cámara 4-D" (para el detector directo de difracción dinámica), es la última de una serie de innovaciones pioneras en microscopía electrónica, imágenes a escala atómica, y transferencia de datos de alta velocidad y computación en Berkeley Lab que abarcan varias décadas.

"Nuestro grupo ha estado trabajando durante algún tiempo en la fabricación de mejores detectores para microscopía, "dijo Peter Denes, científico senior de Berkeley Lab y pionero desde hace mucho tiempo en el desarrollo de herramientas de microscopía electrónica.

"Obtienes un patrón de dispersión completo en lugar de solo un punto, y puede volver atrás y volver a analizar los datos para encontrar cosas en las que tal vez no se estaba enfocando antes, ", Dijo Denes. Esto rápidamente produce una imagen completa de una muestra escaneando a través de ella con un haz de electrones y capturando información basada en los electrones que se dispersan fuera de la muestra".

Mary Scott, un científico de la facultad en Molecular Foundry, dijo que la geometría única del nuevo detector permite estudios de elementos livianos y pesados ​​en materiales uno al lado del otro. "La razón por la que podría querer realizar uno de estos experimentos más complicados sería medir las posiciones de los elementos ligeros, particularmente en materiales que podrían ser realmente sensibles al haz de electrones, como el litio en un material de batería, e idealmente también podría medir con precisión las posiciones de elementos pesados ​​en ese mismo material, " ella dijo.

El nuevo detector se ha instalado en el Microscopio 0.5 con corrección de aberración electrónica de transmisión (TEAM 0.5) en Molecular Foundry, que estableció récords de alta resolución cuando se lanzó en NCEM hace una década y permite a los investigadores visitantes acceder a la resolución de un solo átomo para algunas muestras. El detector generará la friolera de 4 terabytes de datos por minuto.

"La cantidad de datos equivale a mirar alrededor de 60, 000 películas HD simultáneamente, "dijo Peter Ercius, un científico del personal de Molecular Foundry que se especializa en imágenes en 3D a escala atómica.

Brent Draney, arquitecto de redes en NERSC de Berkeley Lab, dijo que Ercius y Denes se habían acercado a NERSC para ver qué se necesitaría para construir un sistema que pudiera manejar esta enorme, Flujo de datos de 400 gigabits producido por la cámara 4-D.

Su respuesta:"De hecho, ya tenemos un sistema capaz de hacer eso. Lo que realmente teníamos que hacer es construir una red entre el microscopio y la supercomputadora".

Los datos de la cámara se transfieren a través de aproximadamente 100 conexiones de fibra óptica a una conexión Ethernet de alta velocidad que es aproximadamente 1, 000 veces más rápido que la red doméstica promedio, dijo Ian Johnson, un científico de planta en la División de Ingeniería de Berkeley Lab. La red conecta Foundry a la supercomputadora Cori en NERSC.

Red de Ciencias de la Energía de Berkeley Lab (ESnet), que conecta centros de investigación con redes de datos de alta velocidad, participó en el esfuerzo.

Ercius dijo:"La supercomputadora analizará los datos en unos 20 segundos con el fin de proporcionar una rápida retroalimentación a los científicos en el microscopio para saber si el experimento fue exitoso o no".

Jim Ciston, otro científico del personal de Molecular Foundry, dijo, "De hecho, capturaremos cada electrón que pase a través de la muestra a medida que se dispersa. A través de este conjunto de datos realmente grande, podremos realizar experimentos 'virtuales' en la muestra; no tendremos que volver atrás y tomar nuevos datos. de diferentes condiciones de imagen ".

El trabajo en el nuevo detector y sus sistemas de datos de apoyo debería beneficiar a otras instalaciones que producen grandes volúmenes de datos. como la fuente de luz avanzada y su actualización planificada, y el proyecto LCLS-II en SLAC National Accelerator Laboratory, Señaló Ciston.

La fuente de luz avanzada, ESnet, Fundición Molecular, y NERSC son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

El desarrollo de la cámara 4-D fue apoyado por el Programa de Investigación de Aceleradores y Detectores de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, y el trabajo en Molecular Foundry fue apoyado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE.