A fázisprobléma megoldásának új módszerei II. = New methods for solving the phase problem II.

摘要

A krisztallográfiai fázisprobléma megoldására általunk felfedezett charge flipping módszert több, a gyakorlatban azonnal alkalmazható irányba fejlesztettük tovább. Új algoritmusváltozatokat, adatkezelést, paraméterválasztást vezettünk be, amellyel egyrészt gyorsabban, másrészt jobb minőségben oldhatók meg a kristályszerkezetek. A fejlesztések új alkalmazásokat is lehetővé tettek; az algoritmus egyik változata a negatív szórássűrűségű neutrondiffrakciós adatok, míg egy másik, különböző típusú, súlyosan hiányos adatok esetén működik kiválóan. Utóbbi esetben, akár a krisztallográfiai irodalomban szokásos adatok 1/8-val is lehetséges jó minőségű szerkezetmeghatározás. A kristályos alapállapot elméletével is részletesen foglalkoztunk. Az atomok közötti Fourier-transzformálható kölcsönhatások és a kristályos rend kapcsolatának matematikailag egzakt leírását adtuk egyes speciális, a puhaanyag-fizikához köthető esetekben. Kristályok helyett molekulák azonos replikáin alapul az atomi szerkezet meghatározásának egy teljesen új módszere, az egyrészecske-leképezés. A kísérlet csak szabadelektron-lézereknél lehetséges, és még számos kihívást jelent. Ezek közül mi az adatelőkészítés problémáját oldottuk meg, iterációs módszert alkottunk, amely az ismeretlen orientációjú és rendkívül zajos 2D diffrakciós képeket szerkezetmeghatározásra alkalmas 3D adatkészletté alakítja. | Our charge flipping method, that solves the crystallographic phase problem, was further developed with practical utilization in mind. We introduced new algorithm variants, data treatments and parameter choices, that helped to determine crystal structures both faster and at better quality. These developments also allowed new applications; one of the algorithm variants works well in the case of negative scattering density, and an other in various instances of seriously incomplete data. In the latter case, high quality structure determination is feasible using only 1/8-th of the data expected in the crystallographic literature. We also investigated the ground state of crystals with mathematical rigour. The relationship of Fourier-transformable atomic interactions and crystal order was described, the special cases treated are related to soft matter physics. Our third theme is single particle imaging, a new method of structure determination that is not based on crystals but on molecular replicas. The experiment is only made possible by free electron lasers, and it still poses a number of challenges. We worked on the problem of data preparation, and solved it by creating an iterative procedure that is capable of composing a single high-quality 3D dataset from the large number of noisy 2D images of unknown orientation.