Avanços na microscopia eletrônica - usando elétrons como ferramentas de imagem para ver coisas bem além do alcance dos microscópios convencionais que usam luz - abriram uma nova janela para o mundo em nanoescala e trouxeram uma ampla gama de amostras em foco como nunca antes.

Os experimentos de microscopia eletrônica podem usar apenas uma fração das informações possíveis geradas à medida que o feixe de elétrons do microscópio interage com as amostras. Agora, uma equipe do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) projetou um novo tipo de detector de elétrons que captura todas as informações nessas interações.

Esta nova ferramenta, um detector super rápido instalado em 12 de fevereiro na Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de usuário de ciência em nanoescala, captura mais imagens em um ritmo mais rápido, revelando detalhes em escala atômica em áreas muito maiores do que era possível antes. A Molecular Foundry e seus microscópios eletrônicos de classe mundial no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica (NCEM) fornecem acesso a pesquisadores de todo o mundo.

Imagens mais rápidas também podem revelar mudanças importantes pelas quais as amostras estão passando e fornecer filmes em vez de instantâneos isolados. Poderia, por exemplo, ajudar os cientistas a explorar melhor os componentes da bateria e do microchip em escala atômica antes do início dos danos.

O detector, que tem uma conexão direta especial com o supercomputador Cori no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC), permitirá aos cientistas registrar imagens em escala atômica com tempo medido em microssegundos, ou milionésimos de segundo - 60 vezes mais rápido do que possível com os detectores existentes.

"É o detector de elétrons mais rápido já feito, "disse Andrew Minor, Diretor de instalação do NCEM na Molecular Foundry.

"Isso abre um novo regime de tempo para explorar com microscopia de alta resolução. Ninguém nunca fez filmes contínuos nesta resolução de tempo" usando imagens de elétrons, ele disse. "O que acontece lá? Existem todos os tipos de dinâmica que podem acontecer. Nós simplesmente não sabemos porque nunca fomos capazes de olhar para eles antes." Os novos filmes podem revelar pequenas deformações e movimentos nos materiais, por exemplo, e mostrar a química em ação.

O desenvolvimento do novo detector, conhecida como a "câmera 4-D" (para Dynamic Diffraction Direct Detector), é o mais recente em uma série de inovações pioneiras em microscopia eletrônica, imagem em escala atômica, e transferência de dados de alta velocidade e computação no Berkeley Lab que se estendeu por várias décadas.

"Nosso grupo vem trabalhando há algum tempo para fazer melhores detectores para microscopia, "disse Peter Denes, um cientista sênior do Berkeley Lab e um pioneiro de longa data no desenvolvimento de ferramentas de microscopia eletrônica.

"Você obtém um padrão de espalhamento completo em vez de apenas um ponto, e você pode voltar e reanalisar os dados para encontrar coisas que talvez não estavam focando antes, "Disse Denes. Isso produz rapidamente uma imagem completa de uma amostra, varrendo-a com um feixe de elétrons e capturando informações com base nos elétrons que se espalham pela amostra.

Mary Scott, um cientista docente da Molecular Foundry, disse que a geometria única do novo detector permite estudos de elementos leves e pesados ​​em materiais lado a lado. "O motivo pelo qual você pode querer realizar um desses experimentos mais complicados seria medir as posições dos elementos leves, particularmente em materiais que podem ser realmente sensíveis ao feixe de elétrons - como o lítio em um material de bateria - e idealmente você também seria capaz de medir com precisão as posições de elementos pesados ​​nesse mesmo material, " ela disse.

O novo detector foi instalado no Microscópio com correção de aberração de elétrons de transmissão 0,5 (TEAM 0,5) na Fundição Molecular, que estabeleceu recordes de alta resolução quando foi lançado no NCEM há uma década e permite que pesquisadores visitantes acessem a resolução de um átomo para algumas amostras. O detector irá gerar incríveis 4 terabytes de dados por minuto.

"A quantidade de dados é equivalente a assistir a cerca de 60, 000 filmes HD simultaneamente, "disse Peter Ercius, um cientista da equipe da Molecular Foundry especializado em imagens em escala atômica 3-D.

Brent Draney, arquiteto de rede no NERSC do Berkeley Lab, disse que Ercius e Denes abordaram a NERSC para ver o que seria necessário para construir um sistema que pudesse lidar com este enorme, Fluxo de dados de 400 gigabits produzidos pela câmera 4-D.

Sua resposta:"Na verdade, já temos um sistema capaz de fazer isso. O que realmente precisávamos fazer é construir uma rede entre o microscópio e o supercomputador."

Os dados da câmera são transferidos por cerca de 100 conexões de fibra óptica em uma conexão Ethernet de alta velocidade que é cerca de 1, 000 vezes mais rápido do que a rede doméstica média, disse Ian Johnson, um cientista da equipe da Divisão de Engenharia do Berkeley Lab. A rede conecta a Foundry ao supercomputador Cori no NERSC.

Rede de Ciências da Energia do Berkeley Lab (ESnet), que conecta centros de pesquisa com redes de dados de alta velocidade, participou do esforço.

Ercius disse, "O supercomputador analisará os dados em cerca de 20 segundos para fornecer um feedback rápido aos cientistas no microscópio para saber se o experimento foi bem-sucedido ou não."

Jim Ciston, outro cientista da equipe da Molecular Foundry, disse, "Na verdade, capturaremos cada elétron que passa pela amostra à medida que é espalhado. Por meio desse conjunto de dados realmente grande, seremos capazes de realizar experimentos 'virtuais' na amostra - não teremos que voltar e obter novos dados de diferentes condições de imagem. "

O trabalho no novo detector e seus sistemas de dados de suporte devem beneficiar outras instalações que produzem grandes volumes de dados, como a fonte de luz avançada e sua atualização planejada, e o projeto LCLS-II no SLAC National Accelerator Laboratory, Ciston observou.

A fonte de luz avançada, ESnet, Molecular Foundry, e NERSC são instalações do usuário do DOE Office of Science.

O desenvolvimento da câmera 4-D foi apoiado pelo Programa de Pesquisa de Aceleradores e Detectores do Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia, e o trabalho na Fundição Molecular foi apoiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE.