氦显微镜无损成像

画这幅画。你出去看看好东西。你拍张照片。就像这样，无论相机的焦点是什么，现在都被摧毁了……

不管听起来如何，这不是《神秘博士》的情节，这实际上是一个困扰显微镜图像的现实问题。

幸运的是，有一个解决方案，它被称为扫描氦显微镜，简称SHeM。该显微镜由澳大利亚纽卡斯尔大学和剑桥卡文迪什实验室的科学家开发，使用一束低能中性氦原子在微观尺度上产生超详细的图像，而不会损坏样品。纽卡斯尔大学该项目的首席科学家Paul Dastoor博士评论说:“我们现在第一次看到的是一种成像技术，它保证不会破坏我们所看到的东西。”

图像后损伤的根源在于能量的积累。电子显微镜和光学显微镜用大量的能量来拍摄样品，这种能量以电子伏特为单位来测量。改变物质中的化学键只需要大约1个电子伏特。在同样的比例下，光有2个这样的单位，这就是为什么太阳会让你最喜欢的衬衫失去丰富的色彩。电子自成一派，拥有惊人的10万个电子单位，通常会产生略脆的样品。然而，氦原子只携带半个单位的氦，这使得一个未煮熟的样品拉姆齐无法梦想安稳入睡。“氦原子根本不可能破坏表面，”达斯托尔说。

SHeM卓越的样品安全性并不是它唯一的关键优势。光的理论最大分辨率是0.5微米——0.0000005米——而氦在室温下的最大分辨率是0.6埃;这是0.00000000006米。这意味着用SHeM拍摄的图像可以比任何光学显微镜理论上能提供的图像详细大约8000倍。只有当SHeM中使用的探测器在探测更多的反射氦原子时变得更敏感时，这种分辨率才有可能实现。Dastoor解释说:“这里的关键，限制我们的事情，是围绕着探测，我们能让这些探测器有多灵敏。”目前，SHeM的分辨率被限制在1微米左右，但很快就会增加到15纳米，这要归功于卡文迪什实验室正在建造的另一种设备。

至于目前的模型，显微镜本身很大:大约有沙发那么大。首先，氦气被抽到高压，然后通过一个直径只有10微米的小孔膨胀到真空中。这就产生了一束氦原子，沿着一根长管道与样品发生碰撞。从样品中反射回来的氦原子被一个非常灵敏的氦原子探测器记录下来。在复杂的软件的帮助下，通过一个有限的表面区域，处理原子的通量或力的流动，可以通过反射氦原子的位置数据创建图像。剩余的氦气然后通过实验室的天花板被泵入一个气球。然而，这种气体并没有被用于华丽的派对装饰，实际上，它与其他气体分离，并为未来的图像回收利用。

随着成像技术的进步，越来越多的科学领域开始依赖于SHeM，该团队未来的目标包括制作一个桌面大小的显微镜模型。“事实上，我们知道我们可以做到这一点，这里有很多空白空间，”达斯托尔高兴地承认。

该团队梦想让世界各地的每个人都能享受到SHeM在显微成像方面的好处，希望每个人都能拍到更多未煮熟的、不那么酥脆的照片!