Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Jurek, Zoltán Süto, András Tegze, Miklós
Starting date
2007-07-01
Closing date
2012-06-30
Funding (in million HUF)
4.755
FTE (full time equivalent)
6.74
state
closed project
Summary in Hungarian
Az anyagok atomi szerkezetének megismeréséhez a krisztallográfiai fázisprobléma megoldása megkerülhetetlen. Ennek az alapvető problémának a megoldását keressük és a megoldást a gyakorlatban is alkalmazni kívánjuk. Egy általunk kifejlesztett módszerből kiindulva (CF=charge flipping) három területre koncentráljuk a kutatást: új kísérleti alkalmazások, az algoritmus hatékonyságának fejlesztése, a matematikai alapok és a fázistér topológiájának megértése. A megvalósítandó feladatok listája a következő: alkalmazás neutron-diffrakcióra esetleg neutron pordiffrakcióra is, alkalmazás röntgen holográfiára, alkalmazás diffrakciós adatok 2D projekciója esetén, az adatok alkalmazhatóságához szükséges felbontás csökkentése, az ismert szimmetriaelemek felhasználása az algoritmusban, rosszabb felbontás esetén ab inito megoldás helyett ismert szerkezeti fragmens kiegészítése, statisztikák és fázisinvariánsok alkalmazása a fázistér vizsgálatára és végül a konvergencia matematikai bizonyításának megkísérlése. A korábbi eredményeinkhez hasonlóan, az új eredmények azonnali gyakorlati felhasználása valószínűsíthető.
Summary
To reveal the atomic structure of matter the solution of the crystallographic phase problem is inevitable. We search for new methods to solve this fundamental problem and apply the solution in practice. Based on the recently developed charge flipping (CF) method we concentrate our research on three areas: find new experimental applications, improve the efficiency of the algorithm, understand the mathematical basis and the topology of the phase space. The list of tasks to be undertaken is the following: application of CF to neutron diffraction and possibly to neutron powder diffraction, application to x-ray holography, application to 2D projections of diffraction data, relaxing the resolution criterion, handling known symmetry operations in the algorithm, structure completion instead of an ab initio approach in the case of lower resolution data, the use of statistics and phase invariants to study the phase space and finally an attempt to mathematically prove the convergence. Similarly to our previous results, it is quite probable that the new results will be immediately applied in practice.
Final report
Results in Hungarian
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.
Results in English
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.
Oszlányi G; Sütő A: The charge flipping method: a new approach to solve periodic and aperiodic structures, Acta Cryst. A 63: s5; keynote lecture, 24-th European Crystallographic Meeting, ECM24, Marrakech, 2007
Oszlányi G; Sütő A: Charge flipping, Acta Cryst. A 64: C8; keynote lecture, XXI Congress of the International Union of Crystallography, Osaka, 2008
Oszlányi G; Sütő A: Charge flipping in powder diffraction, p4 Book of Abstracts ISBN 83-89585-22-7, plenary lecture, 11-th European Powder Diffraction Conference, Warsaw, 2008
Oszlányi G; Sütő A: Missing data in a modified charge-flipping algorithm, Acta Cryst A 66: s107, lecture, 26-th European Crystallographic Meeting, ECM26, Darmstadt, 2010
