美国能源部橡树岭国家实验室领导的一个研究小组发明了一种独特的方法，可以在原子水平上观察材料的变化。这项技术为理解和开发用于量子计算和电子学的先进材料开辟了新的途径。这篇论文发表在《科学进展》杂志上。

这项新技术被称为快速物体检测和行动系统(简称RODAS)，它结合了成像、光谱学和显微镜方法，捕捉转瞬即逝的原子结构形成时的特性，为材料特性在最小尺度上的演变提供了前所未有的见解。

将扫描透射电子显微镜(STEM)与电子能量损失光谱(EELS)相结合的传统方法受到限制，因为电子束可以改变或降解被分析的材料。这种动态常常导致科学家测量改变的状态，而不是预期的材料特性。RODAS克服了这一限制，并将系统与使用实时机器学习的动态计算机视觉成像集成在一起。

在分析标本时，RODAS只关注感兴趣的区域。这种方法可以在几秒或几毫秒内进行快速分析，而其他STEM-EELS方法有时需要几分钟。重要的是，RODAS在不破坏样品的情况下提取关键信息。

所有的材料都有缺陷，而这些缺陷实际上可以直接影响材料的任何特性——例如，无论是电子、机械还是量子。缺陷可以在原子水平上以多种方式排列自己，既有内在的，也有对外部刺激(如电子束辐照)的响应。

不幸的是，这些不同缺陷结构的局部特性并没有被很好地理解。尽管STEM方法可以通过实验测量这些结构，但在不改变它们的情况下研究特定的结构是极具挑战性的。

“了解缺陷结构对开发下一代材料至关重要，”该研究的主要作者、ORNL纳米材料科学中心的Kevin Roccapriore说。“如果有了这些知识，我们可以有意识地创建一个特定的配置来产生一个特定的属性。这种工作完全独立于观察和分析活动，但代表了未来一个潜在的有影响力的方向。”

释放量子材料的潜力

研究小组在单层二硫化钼上展示了他们的技术，这是一种有前途的量子计算和光学应用的半导体材料。二硫化钼特别有趣，因为它可以从称为单硫空位的缺陷中发射单光子。

在这种材料中，单硫空位是指在其蜂窝状晶格结构中缺少一个硫原子，这是原子的排列方式。这些空位可以聚集在一起，产生独特的电子特性，使二硫化钼在先进技术应用中具有价值。

通过研究二硫化钼和类似的单层材料，科学家们希望在原子尺度上回答有关光学或电子性质的重要问题。

新摇来摇去在材料科学方面

RODAS技术代表了材料表征的重大飞跃。它使研究人员能够在分析过程中动态探索结构-属性关系，在形成时针对特定原子或缺陷进行测量，有效地收集各种缺陷类型的数据，适应实时识别新的原子或缺陷类别，并在保持详细分析的同时最大限度地减少样品损坏。

通过将该技术应用于单层钒掺杂二硫化钼，研究小组对电子束照射下缺陷的形成和演化有了新的认识。这种方法允许在动态状态下探索和表征材料，为材料在各种刺激下的行为提供更深入的知识。

Roccapriore说:“先进的电子显微镜等材料科学技术不断扩大我们对物理世界的理解，而RODAS等系统可以在加速发现和创新方面发挥关键作用。”

“在原子尺度上实时观察和分析材料的能力显示出在计算、电子等领域突破界限的潜力，并最终实现变革性技术的发展。”