光学显微镜的“原子困境”终被打破

    长期以来，光学显微镜面临一道难以逾越的“尺寸鸿沟”：若将原子比作一粒沙子，光波则如同海洋波浪——由于二者尺寸差异悬殊，光波在传播时往往会“错过”原子，导致科学家无法通过传统光学显微镜观察并解析单个原子。尽管超分辨率技术已突破衍射极限，能呈现分子尺度的特征，但对原子级别的观测仍束手无策，这一困境直至近日才被MIT团队的新成果打破。

    DIGIT技术：以“原子座位表”实现精准定位
    MIT电气工程与计算机科学系（EECS）研究生段玉琴（化名Sophia）与教授德克・恩格伦德领衔的团队，开发出一种名为“离散网格成像技术（DIGIT）”的计算成像方法。该技术的核心突破在于，将材料已知的原子构型作为“先验知识”，如同借助“座位表”定位原子的精确位置。
    “以往的方法只能判断原子所在区域，而DIGIT能凭借‘座位表’般的原子布局，精准指出原子坐在哪个‘座位’上。”段玉琴解释道。具体而言，若科学家对材料的原子结构有大致了解（如晶体材料的重复网格、部分蛋白质的有序分子链），便可将这种结构作为“模板”，通过计算匹配，确定单个原子的最可能位置。
    经测试，DIGIT技术的定位精度达到0.178埃（1埃为0.1纳米，约等于单个原子宽度的一半），这一分辨率让光学显微镜首次具备解析原子级特征的能力，且适用范围覆盖所有已知原子结构的材料。

    实验验证：钻石晶格中的硅原子“显形记”
    为验证DIGIT的有效性，团队以钻石为实验样本——钻石的微观结构是学界公认的规律碳原子网格（晶格），具备清晰的“原子地图”。研究人员在MIT.nano设施中，刻意移除钻石晶格中的部分碳原子，并用硅原子替代，目标是精准识别这些硅原子的位置。
    实验分为两步：首先，利用成熟的超分辨率显微镜技术，以特定波长的激光照射钻石样本（该波长仅与硅原子共振，不与碳原子反应），初步生成硅原子的图像。但受限于光学原理，这些图像仅呈现为均匀的模糊光斑，无法区分单个原子的具体位置。
    随后，团队引入DIGIT技术进行“图像锐化”。由于硅原子是替代碳原子存在于晶格中，必然遵循钻石晶格的间距规则（任意两个硅原子的距离为晶格原子间距的整数倍），研究人员据此模拟出钻石晶格的多种方向与旋转角度，将其与模糊图像叠加匹配。“原子并非随机分布，而是坐在晶体网格上，我们正是利用这一特性消除模糊。”段玉琴表示。最终，技术成功以0.178埃的精度定位出单个硅原子，创下光学成像技术的分辨率新纪录。

    对比电子显微镜：更灵活的“原子观测方案”
    此前，观测原子级特征依赖透射或扫描电子显微镜，这类设备虽能生成高清原子图像，但存在显著局限：需在真空、高能环境下运行，且仅适用于超薄、合成或固态材料，对脆弱的生物样本更是“过于剧烈”，无法适用。
    而DIGIT技术依托光学原理，既突破了电子显微镜的应用场景限制，又延续了超分辨率显微镜的优势——无需极端环境，可对更多样的材料（包括生物样本）进行观测。同时，团队已将DIGIT代码上传至GitHub平台，供全球科研人员免费使用（仅需样本具备已知原子结构）。

    开启原子尺度研究新范式
    “这一突破将光学显微镜带入原子尺度领域，此前人们普遍认为只有电子显微镜或X射线能做到这一点。”段玉琴强调。从应用价值来看，DIGIT技术将为两大领域提供关键支撑：其一，指导量子设备设计——这类设备需将单个原子精确放置在晶体中，DIGIT的高精度定位可解决核心技术难题；其二，解析先进材料特性——通过观测缺陷、杂质在半导体、超导体中的原子级分布，助力研发性能更优的新材料。

    目前，相关研究成果已发表于国际权威期刊《自然・通讯》（NatureCommunications）。业界认为，DIGIT技术不仅填补了光学显微镜观测原子的空白，更开创了“超分辨率技术+材料物理约束”的研究新思路，为材料科学、量子科技、生物学等领域的原子级研究提供了全新工具。