これは私たちが手に入れることができる最も高解像度の顕微鏡かもしれない

科学者が最初の電子顕微鏡を発明したほぼ1世紀前に始まった旅は、また新たな一歩を踏み出しました。

物理学者のグループが、科学者が物体をどこまで拡大できると考えているかという究極の限界にさらに近づいた。このグループはこれまで、顕微鏡で達成した最高解像度の世界記録を保持していた。サイエンス誌に掲載された彼らの最新の研究は、その記録をさらに縮めた。

「これは人類史上最高解像度の画像だ」と、コーネル大学の物理学者で論文の著者の一人であるデビッド・ミュラー氏は言う。

学校で使ったような顕微鏡では、これほど高い解像度は得られません。300年以上前にロバート・フックが細胞の隠れた世界を垣間見るために使った顕微鏡のような顕微鏡は、光を見ることができます。つまり、光の波長よりも小さいものは見ることができません。原子を見るには、1000倍も大きい厳しい限界です。

科学者たちはすでに 20 世紀初頭にその壁にぶつかっていました。もっと小さな世界、たとえばウイルスの世界に入り込んでポリオワクチンを開発したい場合、光よりも波長の短い媒体で見る必要があります。

原子核の周りを回る小さな荷電粒子である電子に目を向けるといいでしょう。1930 年代に、エルンスト・ルスカなどの科学者が最初の電子顕微鏡の開発を始めました。電子顕微鏡は、電子ビームで探査することで、極小の物体を鮮明に詳細に観察することができます。

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電子の波長は光の約 10 万分の 1 です。理論的には、電子を使って通常の物質の基本的な構成要素である原子をのぞき込むことができます。しかし、問題があります。それは電子のせいではありません。「電子レンズのレンズ品質はひどいのです」とミュラー氏は言います。

多くの天文学者がよく知っているように、完璧な画像化システムなど存在しない。しかし、電子顕微鏡内の電磁レンズは特にぼやけている。ミュラー氏によると、典型的な電子顕微鏡をのぞくのは、ビール瓶を通して光を見るようなものだという。

これを回避する方法の 1 つは、「収差補正装置」と呼ばれるハードウェアを取り付けることです。これは、電子顕微鏡に眼鏡を処方するようなものです。しかし、原子を見るには、収差補正装置のシンフォニーを指揮する必要があります。常に移動する眼鏡が 100 組あることを想像してください。

1990 年代から 2000 年代にかけて、コンピューターは実際にこれを可能にして、顕微鏡の解像度を新たな限界まで押し上げました。しばらくの間、収差補正装置が解像度の王座に君臨していました。しかし、2010 年代になると、この技術は勢いを失い始めていました。

顕微鏡の解像度の限界を押し広げるために、コーネル大学の物理学者たちは、あまり例のない道を歩んだ。レンズを完全に廃止し、代わりに物体に電子を照射して、それがどのように散乱するかを観察したのだ。

電子が飛ぶと、物体の原子が衝突した電子の進路を変え、物体の反対側で電子をパターンに曲げます。物体に複数の位置から電子を照射すると、パターンのアルバム全体を撮影できます。今日のコンピューターでは、これらのパターンをつなぎ合わせて、元の物体の顕微鏡画像を再構築できます。

これは、プチコグラフィー（タイカウグラフィー）と呼ばれる。X線科学者は現在、独自のプチコグラフィーを一般的に使用しているが、電子観察者にとっては行き止まりだった。アルゴンヌ国立研究所の物理学者で論文の共著者であるイー・ジャン氏によると、科学者は半世紀にわたって電子プチコグラフィーについて理論的に議論してきたが、実際に実現可能になったのはここ5年ほどだという。

第一に、科学者たちは十分な数の電子がどこに着地したかを正確に特定できる検出器を過去には持っていなかった。第二に、電子は、たとえ原子 1 個であっても、あらゆる方向に飛ばされやすい。これは現代のコンピューターでも簡単には説明できない。その結果、解像度の記録に関しては、収差補正装置がタイコグラフィーより桁違いにリードしていた。

しかし、コーネル大学の研究グループは、タイコグラフィーに将来性があると信じていた。2010年代半ばまでに、彼らは最先端の電子検出器を開発していた。そのために、彼らはX線科学者からアルゴリズムを借用した。また、電子ビームの強度を弱め、対象物を可能な限り薄く削ることで、問題を単純化した。

そして2018年、その計画は成功しました。コーネル大学の研究グループは収差補正装置を克服し、これまでで最高の顕微鏡解像度を達成し、ギネス世界記録も獲得しました。

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もちろん、これは完璧な方法ではありませんでした。「私たちにできるのは、原子 1 個か 2 個の厚さしかない材料を扱うことだけでした」とミュラー氏は言います。

しかし研究チームは、もっと小さなサイズにできるのではないかと考えた。そのための装置はあったが、電子の厄介な散乱を考慮するにはコンピューターが必要だった。つまり、80年間解決されていなかった物理学の問題を、無理やり解決する必要があったのだ。

コーネル大学の研究グループはアルゴリズムの改良に3年を要した。ミュラー氏によると、この3年間の作業は成果がないと感じることが多かったという。しかし、コーネル大学のポスドク、ジェン・チェン氏の研究のおかげで、彼らはうまくいく方法を見つけた。

結果はどうなったか？彼らは自らの世界記録を2倍も上回った。

「この論文は画期的な研究だ」と、この論文には関わっていないアルゴンヌ国立研究所の計算科学者マシュー・ジョセフ・チェルカラ氏は言う。「これは、顕微鏡の物理的限界を打ち破り超える高度なアルゴリズムと計算の威力を実証している。」

科学者たちはさらに先へ進むことができるでしょうか?

その答えは、文字通り、曖昧です。

コーネル大学のグループの写真を見ると、原子がぼやけて見えるのがわかるでしょう。これは検出器の異常でも空気からの干渉でもありません。原子自体が熱で震えているのです。原子を冷やしてその場にとどめておくこともできますが、電子で調べると再び加熱されるだけです。

したがって、科学者が知る限り、そのぼやけは、原子を観察するまったく別の方法を見つけない限り、克服できるものではない。

「私たちはほぼ究極の限界に達している」とミュラー氏は言う。