科学家利用全息电子显微镜可视化原子尺度的磁场

日本的一个研究团队，包括日立制作所(TSE6501,Hitachi)、九州大学、理化学研究所和HREM研究公司(HREM)的科学家，在难以想象的小尺度磁场观测方面取得了重大突破。

该团队与日本国家先进工业科学技术研究所(AIST)和日本国家材料科学研究所(NIMS)合作，使用日立的原子分辨率全息电子显微镜(采用新开发的图像采集技术和散焦校正算法)来可视化晶体固体内各个原子层的磁场。

通过开发和采用具有定制特性的高性能材料，电子设备、催化、运输和能源生产领域取得了许多进步。原子排列和电子行为是决定晶体材料特性的最关键因素之一。

值得注意的是，不同材料或原子层界面处的磁场方向和强度尤为重要，并且通常有助于解释许多特殊的物理现象。

在此突破之前，可以观察到原子层磁场的最大分辨率限制在0.67纳米左右，这是日立在2017年使用其尖端全息电子显微镜创下的记录。

现在，得益于一项大型合作项目，研究人员通过解决日立全息电子显微镜的一些关键限制，成功进一步突破了这一极限。他们的研究成果已于2024年7月3日发表在《自然》杂志上。

研究人员首先开发了一种系统，可以在数据采集过程中自动控制和调整设备，从而大大加快了成像过程，在8.5小时内可以拍摄10,000张图像。然后，通过对这些图像进行特定的平均操作，他们最大限度地降低了噪声，从而获得了包含不同电场和磁场数据的更清晰的图像。

接下来要解决的挑战是校正微小的散焦，因为散焦会导致所获取的图像出现像差。

日立公司首席研究员谷垣俊明解释说：“我们采用的图像采集后像差校正的理念与丹尼斯·加博尔博士在1948年发明电子全息术的理念完全相同。换句话说，该方法在理论上已经确立。然而，到目前为止，还没有在离轴电子全息术中实现这种自动校正的技术。”

所实施的技术能够通过分析重建的电子波来校正由于轻微焦点偏移而导致的散焦。得益于这种方法，生成的图像没有残留像差，因此可以通过磁场轻松辨别原子的位置和相位。

利用这两项创新，该团队对Ba2FeMoO6样品进行了电子全息测量，Ba2FeMoO6是一种层状晶体材料，其中相邻的原子层具有不同的磁场。

通过将实验结果与模拟结果进行比较，他们确认超越了之前创下的记录，以前所未有的0.47纳米的分辨率观察了Ba2FeMoO6的磁场。

Tanigaki表示：“这一结果为直接观察许多材料和设备中特定区域(例如界面和晶界)的磁晶格打开了大门。”

“我们的研究标志着研究许多隐藏现象的第一步，这些现象的存在可以通过磁性材料中的电子自旋结构揭示出来。”

该团队希望他们的卓越成就能够帮助解决许多科学和技术难题。

谷垣总结道：“我们的原子分辨率全息电子显微镜将被各方使用，为从基础物理学到下一代设备等广泛领域的进步做出贡献。最终，这将通过开发对脱碳和节能工作至关重要的高性能磁铁和高功能材料，为实现碳中和社会铺平道路。”

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