科學(xué)家利用全息電子顯微鏡可視化原子尺度的磁場(chǎng)

日本的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，包括日立制作所(TSE6501,Hitachi)、九州大學(xué)、理化學(xué)研究所和HREM研究公司(HREM)的科學(xué)家，在難以想象的小尺度磁場(chǎng)觀測(cè)方面取得了重大突破。

該團(tuán)隊(duì)與日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所(AIST)和日本國(guó)家材料科學(xué)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(kāi)發(fā)的圖像采集技術(shù)和散焦校正算法)來(lái)可視化晶體固體內(nèi)各個(gè)原子層的磁場(chǎng)。

通過(guò)開(kāi)發(fā)和采用具有定制特性的高性能材料，電子設(shè)備、催化、運(yùn)輸和能源生產(chǎn)領(lǐng)域取得了許多進(jìn)步。原子排列和電子行為是決定晶體材料特性的最關(guān)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(chǎng)方向和強(qiáng)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(chǎng)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(xiàng)大型合作項(xiàng)目，研究人員通過(guò)解決日立全息電子顯微鏡的一些關(guān)鍵限制，成功進(jìn)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(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，可以在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中自動(dòng)控制和調(diào)整設(shè)備，從而大大加快了成像過(guò)程，在8.5小時(shí)內(nèi)可以拍攝10,000張圖像。然后，通過(guò)對(duì)這些圖像進(jìn)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(chǎng)和磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的更清晰的圖像。

接下來(lái)要解決的挑戰(zhàn)是校正微小的散焦，因?yàn)樯⒔箷?huì)導(dǎo)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(shuō)：“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(shù)的理念完全相同。換句話說(shuō)，該方法在理論上已經(jīng)確立。然而，到目前為止，還沒(méi)有在離軸電子全息術(shù)中實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)校正的技術(shù)。”

所實(shí)施的技術(shù)能夠通過(guò)分析重建的電子波來(lái)校正由于輕微焦點(diǎn)偏移而導(dǎo)致的散焦。得益于這種方法，生成的圖像沒(méi)有殘留像差，因此可以通過(guò)磁場(chǎng)輕松辨別原子的位置和相位。

利用這兩項(xiàng)創(chuàng)新，該團(tuán)隊(duì)對(duì)Ba2FeMoO6樣品進(jìn)行了電子全息測(cè)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(chǎng)。

通過(guò)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，他們確認(rèn)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(chǎng)。

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

“我們的研究標(biāo)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(guò)磁性材料中的電子自旋結(jié)構(gòu)揭示出來(lái)。”

該團(tuán)隊(duì)希望他們的卓越成就能夠幫助解決許多科學(xué)和技術(shù)難題。

谷垣總結(jié)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(chǔ)物理學(xué)到下一代設(shè)備等廣泛領(lǐng)域的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。最終，這將通過(guò)開(kāi)發(fā)對(duì)脫碳和節(jié)能工作至關(guān)重要的高性能磁鐵和高功能材料，為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)鋪平道路。”

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