تمام مواد جهان از بلوک‌های ساختاری بسیار کوچکی تشکیل شده‌اند که با چشم غیرمسلح قابل دیدن نیستند. اما محدودیت‌های فیزیکی چشم‌هایمان مانع از این نمی‌شود که چیزهایی که می‌خواهیم را ببینیم.

تصویری که می‌بینید در سال ۲۰۲۱ توسط تیمی به رهبری فیزیک‌دانی به نام ژن چِن، که پیش‌تر در دانشگاه کرنِل بوده و اکنون در آکادمی علوم چین مشغول به کار است، یه دشت است. این نقطه‌ها در تصویر، اتم‌های موجود در شبکه کریستالی یک قطعه پراسئودیوم اورتواسکاندات (PrScO3) هستند که با بزرگ‌نمایی ۱۰۰ میلیون گرفته شده‌اند.

تنها دلیلی که تصویر کمی در حاشیه‌ها تار به نظر می‌رسد، این است که اتم‌ها هیچ‌گاه از جنبش حرارتی باز نمی‌ایستند و این باعث ایجاد کمی تاری ناشی از حرکت حرارتی می‌شود.

صرف نظر از میزان پیشرفت تکنولوژی، این وضوح رکوردشکن به احتمال زیاد هرگز شکسته نخواهد شد. این به این دلیل است که محدودیتی برای میزان وضوح در این مقیاس‌های اتمی وجود دارد و این تقریباً همان مرز نهایی است.

دیوید مولِر، فیزیک‌دان دانشگاه کرنِل، زمانی که نتایج این تحقیق منتشر شد، گفت: «این عکس تنها یک رکورد جدید را ثبت نکرده، بلکه به حوزه‌ای رسیده که عملاً محدودیتی نهایی برای وضوح است. اکنون می‌توانیم به سادگی محل قرارگیری اتم‌ها را تشخیص دهیم. این امر دریچه‌ای به سمت اندازه‌گیری‌های جدیدی که مدت‌ها آرزویش را داشتیم، باز می‌کند.»

این دستاورد نتیجه اوج تکنولوژی تصویربرداری اتمی به نام پتوگرافی (Ptychography) است.

پتوگرافی به‌خودی‌خود یک تکنیک تصویربرداری مستقیم نیست، بلکه نوعی تداخل‌سنجی یا اینترفِرومتری (Interferometry) است. این فرآیند تصویری را از الگوهای تداخل ایجاد می‌کند. در این روش، الکترون‌ها به نمونه پراسئودیوم اورتواسکاندات شلیک می‌شوند و زمانی که این الکترون‌ها به اتم‌های موجود در ماده برخورد می‌کنند، از آنها بازتاب می‌یابند.

با اندازه‌گیری الگوهای بازتاب یا پراکندگی این الکترون‌ها به هنگام حرکت دادن پرتوی الکترون، سیستم تصویربرداری قادر به ایجاد تصویری از اتم‌هایی می‌شود که این الکترون‌ها از آنها بازتاب یافته‌اند.

از آنجا که پراسئودیوم اورتواسکاندات یک ترکیب است، در اینجا سه نوع مختلف اتم دیده می‌شود. جفت‌های نقطه‌های روشن که به هم متصل شده‌اند، اتم‌های پراسئودیوم هستند. نقطه‌های روشن تکی اسکاندیوم هستند. و نقطه‌های قرمز کم‌رنگ اتم‌های اکسیژن هستند. این اتم‌ها به هم متصل شده‌اند تا کریستالی خالص و کامل را که توسط چن و همکارانش تصویر شده، تشکیل دهند.

این پیشرفت در تصویربرداری اتمی دارای  کاربردهای بسیاری در فیزیک و مهندسی است و به ما این توانایی فوق‌العاده را می‌دهد که ساختارهای اتمی را با وضوح بالا و در سه بعد مطالعه کنیم. این فناوری می‌تواند در همه چیز، از علم مواد گرفته تا ارتباطات کوانتومی، مورد استفاده قرار گیرد.

مولِر می‌گوید: «ما می‌خواهیم این فناوری را در همه چیزهایی که انجام می‌دهیم به کار ببریم. تا کنون همه ما «عینک‌های» بسیار بدی به چشم داشتیم. حالا که یک عینک واقعاً خوب داریم، چرا نباید عینک‌های قدیمی را برداریم، عینک‌های جدید را به چشم بزنیم و از آنها همیشه استفاده کنیم؟»

توانایی انسان‌ها در انجام یک کار وقتی واقعا ذهن خود را روی آن متمرکز می‌کنند، واقعاً شگفت‌انگیز است.