克服仪器限制：纳米成像的新时代
在这个世界上，看到和理解生命和材料的最小组成部分的能力可以开拓科学和技术的新领域，Vivek Goyal教授（ECE）和他的团队取得了一项突破，可能会彻底改变纳米级成像。他们在这种超精密成像技术中减少噪音的创新方法有可能改变生物和材料科学等多种领域。想象一下，以前所未有的清晰度和准确性观察生物细胞或复杂材料的复杂细节——这就是戈亚尔澳门威尼斯人注册网站研究寻求的技术突破。通过克服成像过程中长期存在的挑战，这项工作不仅推动了我们所能看到的界限，而且打开了发现的大门，可以在最基本的层面上塑造我们对世界的理解。
Goyal的进展最近发表在著名的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，这是一本世界上被引用次数最多的科学出版物的同行评审期刊，涵盖了原始的生物、物理和社会澳门威尼斯人注册网站研究。
这项名为“用离子计数辅助显微镜进行二次电子成像，降低噪声”的澳门威尼斯人注册网站研究代表了近15年工作的高潮。Goyal将这一行的开始归功于他早期在3D成像中使用单光子探测器的成功和一个朋友的猜测。麻省理工学院电子工程教授卡尔·伯格伦（Karl Berggren）认为，类似的模型可能适用于粒子束显微镜。这个想法让戈亚尔和他的团队进行了长达十年的探索，最终得出了他们目前的发现。
纳米级成像，包括在纳米尺度（一米的十亿分之一）上对结构进行可视化和澳门威尼斯人注册网站研究，对于检查材料、生物细胞和分子的复杂细节至关重要。这种水平的成像可以对原子排列、分子相互作用和其他微观特征进行高精度观察，这对纳米技术、生物学和材料科学等前沿领域至关重要。
这篇文章的主要方面是澳门威尼斯人注册“入射离子计数”，这是一种显著减少“源射噪声”的技术，这种噪声是信号中的一种随机变化，会模糊图像中的细节。通过减少这种噪音，该方法可以更精确和准确地成像纳米级结构。
戈亚尔的澳门威尼斯人注册网站研究有望产生重大影响，尤其是在生物学和材料科学领域。“在生物学中，样品通常是脆弱的，我们的方法可能最终导致之前被成像过程破坏的成像样品。在材料科学领域，我们的方法可能会提高定量材料表征的分辨率，”Goyal说。
虽然这一突破具有变革性，但该团队仍在努力提高成像过程的速度。
“我们目前的方法要求探测器相对于入射粒子的频率不能太慢。因此，当前仪器中的慢速探测器迫使我们使用低光束电流，这使得成像本身变慢，”戈亚尔说。“我们的总体愿景要广阔得多。我们相信我们可以将目标射击噪声转化为澳门威尼斯人注册样本的额外有用信息。”
与戈亚尔一起工作的博士后澳门威尼斯人注册网站研究员阿克谢·阿加瓦尔（Akshay Agarwal）在克服慢速探测器的局限性方面取得了关键突破。最初，Goyal的团队面临的挑战是确保支持修改现有仪器以改进粒子束显微镜的数据处理。他们认为，将复杂的信号减少到每个扫描位置的单个数字会导致重要信息的丢失。阿加瓦尔意识到，现有的探测器，即使是嘈杂的探测器，也可以用来验证他们的理论，而不是等待别人制造出新的仪器。这种方法通过消除一种特定类型的噪声，在降低噪声和提高图像清晰度方面取得了突破，即使使用不完善的工具。Agarwal的努力使团队能够在这些限制下继续他们的澳门威尼斯人注册网站研究。
Goyal说：“当我们将注意力转向现有仪器的使用时，我们意识到有三种基本的噪声源：源噪声、目标噪声和探测器噪声。”“我们几乎可以消除源射击噪声，即使我们不得不忍受高探测器噪声，我们也可以做到这一点。”
展望未来，戈亚尔承认，这项澳门威尼斯人注册网站研究的影响可能远远超出目前的应用范围。
“由于成像和可视化在科学中如此重要，这项工作的潜在影响超出了我的想象和专业知识。我们的方法从根本上改变了图像精度和样品修改之间的权衡。”“这导致了我的团队非常感兴趣的一种可能性：扩大重入射粒子的使用。”
维韦克·戈亚尔（Vivek Goyal）是波士顿大学工程学院电子与计算机工程系的教授和博士课程副主席。Goyal专注于信号处理，最近的重点是计算成像，特别是利用有效的信息表示和开发依赖于计算的新成像模式。Goyal的澳门威尼斯人注册网站研究兴趣包括信息表示、统计信号处理、量化以及人类决策和感知。