科學家利用全息電子顯微鏡可視化原子尺度的磁場

日本的一個研究團隊，包括日立制作所(TSE6501,Hitachi)、九州大學、理化學研究所和HREM研究公司(HREM)的科學家，在難以想象的小尺度磁場觀測方面取得了重大突破。

該團隊與日本國家先進工業(yè)科學技術研究所(AIST)和日本國家材料科學研究所(NIMS)合作，使用日立的原子分辨率全息電子顯微鏡(采用新開發(fā)的圖像采集技術和散焦校正算法)來可視化晶體固體內(nèi)各個原子層的磁場。

通過開發(fā)和采用具有定制特性的高性能材料，電子設備、催化、運輸和能源生產(chǎn)領域取得了許多進步。原子排列和電子行為是決定晶體材料特性的最關鍵因素之一。

值得注意的是，不同材料或原子層界面處的磁場方向和強度尤為重要，并且通常有助于解釋許多特殊的物理現(xiàn)象。

在此突破之前，可以觀察到原子層磁場的最大分辨率限制在0.67納米左右，這是日立在2017年使用其尖端全息電子顯微鏡創(chuàng)下的記錄。

現(xiàn)在，得益于一項大型合作項目，研究人員通過解決日立全息電子顯微鏡的一些關鍵限制，成功進一步突破了這一極限。他們的研究成果已于2024年7月3日發(fā)表在《自然》雜志上。

研究人員首先開發(fā)了一種系統(tǒng)，可以在數(shù)據(jù)采集過程中自動控制和調(diào)整設備，從而大大加快了成像過程，在8.5小時內(nèi)可以拍攝10,000張圖像。然后，通過對這些圖像進行特定的平均操作，他們最大限度地降低了噪聲，從而獲得了包含不同電場和磁場數(shù)據(jù)的更清晰的圖像。

接下來要解決的挑戰(zhàn)是校正微小的散焦，因為散焦會導致所獲取的圖像出現(xiàn)像差。

日立公司首席研究員谷垣俊明解釋說：“我們采用的圖像采集后像差校正的理念與丹尼斯·加博爾博士在1948年發(fā)明電子全息術的理念完全相同。換句話說，該方法在理論上已經(jīng)確立。然而，到目前為止，還沒有在離軸電子全息術中實現(xiàn)這種自動校正的技術。”

所實施的技術能夠通過分析重建的電子波來校正由于輕微焦點偏移而導致的散焦。得益于這種方法，生成的圖像沒有殘留像差，因此可以通過磁場輕松辨別原子的位置和相位。

利用這兩項創(chuàng)新，該團隊對Ba2FeMoO6樣品進行了電子全息測量，Ba2FeMoO6是一種層狀晶體材料，其中相鄰的原子層具有不同的磁場。

通過將實驗結果與模擬結果進行比較，他們確認超越了之前創(chuàng)下的記錄，以前所未有的0.47納米的分辨率觀察了Ba2FeMoO6的磁場。

Tanigaki表示：“這一結果為直接觀察許多材料和設備中特定區(qū)域(例如界面和晶界)的磁晶格打開了大門。”

“我們的研究標志著研究許多隱藏現(xiàn)象的第一步，這些現(xiàn)象的存在可以通過磁性材料中的電子自旋結構揭示出來。”

該團隊希望他們的卓越成就能夠幫助解決許多科學和技術難題。

谷垣總結道：“我們的原子分辨率全息電子顯微鏡將被各方使用，為從基礎物理學到下一代設備等廣泛領域的進步做出貢獻。最終，這將通過開發(fā)對脫碳和節(jié)能工作至關重要的高性能磁鐵和高功能材料，為實現(xiàn)碳中和社會鋪平道路。”

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