电子显微镜是建立在一个苦涩的讽刺之上的:放射电子的过程使科学家可以窥视到生物分子和材料的原子结构，但是电子也可以破坏它们的目标。
应用与工程物理系塞缪尔·b·埃克特工程教授大卫·穆勒(David Muller)说:“在我炸样品之前，我只能传递这么多电子，但在我看到我需要看到的东西之前，我需要一定数量的电子。”否则，所有的一切都将湮没在这杂乱的噪音中。所以这是一种权衡。”
这个示意图显示了电子探针是如何离焦来捕获广泛的数据，这些数据被重建成超准图像。下面的三幅图像是当探测器在上面圆圈的位置被照亮时模拟的衍射模式。
2017年，穆勒与约翰·l·韦瑟里尔(John L. Wetherill)物理学教授索尔·格伦纳(Sol Gruner)共同领导了一项合作，研发了一种高能探测器，结合一种名为ptychography的技术，创造了纳米级分辨率的世界纪录，可测量到0.39埃或0.039纳米;一纳米是一米的十亿分之一。
现在，穆勒的研究小组又向前进了一步，他们开发了一种新型的ptychography，该技术使用复杂的算法来实现更快、更高效的成像，使用比例仪(1万亿分之一米)的精度，不会轻易损坏样本。
更讽刺的是，穆勒的团队意识到，他们通过分散探测器的聚焦和模糊光束来获得最佳结果。
“这有点违反直觉。通常拍照的最佳条件是在你能得到的最小的点上有一束非常好的聚焦，”Muller说。“但是我们的方法，失焦，是有效的，因为我们的算法让我们恢复模糊的形状。它为我们提供了更多的信息。”
结果，穆勒说，是“硬件计算每一个电子，软件确保每一个电子计算。”
6月12日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的论文《混合态电子脉冲成像技术能够在低剂量下实现亚埃分辨率成像和比象仪精度成像》。博士后研究员陈震是论文的第一作者。
在常规成像中，只有一小部分透射电子被记录下来。事实上，如果在每一点都收集所有的电子，就不会有图像对比度。另一方面，尽管需要更精密的探测器，如穆勒和格鲁纳开发的EMPAD，但通过扫描材料样本的重叠散射模式并将数据重新构建成超精确图像，Ptychography能够利用每一个电子。
“这一次,我们一点子弹,决定我们要正确处理所有这些东西,因为电脑是更强大的,和算法更聪明,”穆勒说,同时也是Kavli研究所康奈尔大学纳米科学和主席的纳米科学和微系统工程(下一个纳米)工作组,康奈尔的激进合作计划的一部分。“随着计算能力的增强，我们能够处理所有你需要处理的事情来获得一个好的图像。”
为了让失焦法发挥作用，穆勒的团队采用了一种非传统的方法。研究人员没有假设电子处于纯量子态，因为纯量子态更容易建模成像，而是将重点放在叠加混合态电子上。，一个纯电子波函数的线性组合。这使得研究小组能够捕捉到隐藏在图像“斑点噪声”中的精细对比。
“如果你拿一个激光笔，把它照在墙上，你会看到很多可爱的斑点。如果你拿着LED或手电筒，你不会看到这些斑点。激光有斑点的原因是因为它是一种非常纯净的状态，当我使用LED或手电筒时，斑点就会消失，”Muller说。“通常情况下，如果我的信息来源不完美，我就会丢失一些细节，因此我就会丢失很多信息。我们的过程是这样的，嗯，这个东西实际上是由不同的波长组成的，如果你单独考虑每一个波，你会发现每个波上都有斑点。”
研究人员在另一层二氯化钼上扫描了一层二硫化钨。通过稍微倾斜其中一层的原子，晶体之间就会出现复杂的莫尔图案，这给了研究人员更大的成像范围。以前他们只能一次成像一个原子，而ptychography允许他们以大约100×100个平行序列的方式成像，并将快照重叠在一起。
使用这种方法，研究人员能够以两倍的分辨率以四倍的速度记录数据。混合态ptychography还为科学家提供了在更低分辨率下对易碎材料成像的选择，而且需要的电子比以前少得多——电子剂量可以减少50倍。穆勒说，这对于容易被高能破坏的生物分子结构和电池材料的成像特别有帮助。
合著者包括蒋毅，18岁博士;韩一墨，18年博士;以及来自保罗谢勒研究所、阿卜杜拉国王科技大学和长庚大学的研究人员。
本研究由国家科学基金支持平台——界面材料加速实现、分析与发现平台(PARADIM)支持。它利用了由美国国家科学基金会材料研究科学和工程中心项目支持的康奈尔材料研究中心。
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