得益于先进的图像采集和自动像差校正技术，研究人员成功地以0.47 nm的突破性分辨率测量了Ba2FeMoO6中的磁场，这种方法可以观察不均匀的样品。当观察发生在材料界面的磁性现象时，如此高的分辨率是至关重要的。资料来源:Hitachi, Ltd.的Toshiaki Tanigaki
现在，获取图像和校正离焦的技术可以以前所未有的分辨率观察原子尺度的磁场。
一个由日立公司(TSE 6501, Hitachi)、九州大学、理化研究所和HREM研究公司(HREM)的科学家组成的日本研究小组，在观察极小尺度的磁场方面取得了重大突破。该团队与美国国家先进工业科学技术研究所(aiST)和美国国家材料科学研究所(NIMS)合作，利用日立的原子分辨率全息电子显微镜，以及新开发的图像采集技术和离焦校正算法，将晶体固体中单个原子层的磁场可视化。
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、运输和能源生产方面的许多进步成为可能。原子排列和电子行为是决定晶体材料性质的最关键因素。值得注意的是，在不同材料或原子层之间的界面上磁场的方向和强度特别重要，并且经常有助于解释许多特殊的物理现象。在此之前，观察原子层磁场的最大分辨率被限制在0.67 nm左右，这是日立公司在2017年利用其尖端全息电子显微镜创造的记录。
显微技术的改进
现在，由于一个大型的合作项目，研究人员通过解决日立全息电子显微镜的几个关键限制，成功地进一步突破了这一极限。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。
研究人员首先开发了一个系统，在数据采集过程中自动控制和调整设备，显着加快了成像过程，在8.5小时内达到10,000张图像的速度。然后，通过对这些图像执行特定的平均操作，他们将噪声降至最低，以获得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对微小散焦的校正，这会导致获得的图像出现像差。“我们采用的图像捕获后像差校正的想法与促使丹尼斯·加博尔博士在1948年发明电子全息术的想法完全相同。换句话说，这种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，”日立公司首席研究员Toshiaki Tanigaki解释说。所实现的技术能够通过分析重建的电子波来纠正由于微小的焦点移动而引起的散焦。由于这种方法，得到的图像没有残留的像差，使得原子的位置和相位很容易在磁场中辨别出来。
突破性的观察和未来展望
利用这两项创新，该团队对Ba2FeMoO6样品进行了电子全息测量，Ba2FeMoO6是一种分层晶体材料，其相邻的原子层具有不同的磁场。在将实验结果与模拟结果进行比较后，他们确认他们超越了之前设定的记录，以前所未有的0.47 nm的分辨率观察到Ba2FeMoO6的磁场。谷垣祯一兴奋地评论说:“这一结果为直接观察许多材料和器件中特定区域的磁晶格打开了大门，比如界面和晶界。”“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构型来揭示。”
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挑战。“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的广泛领域的进步做出贡献。最终，这将为实现碳中和社会铺平道路，通过开发高性能磁铁和高功能材料，这对脱碳和节能工作至关重要，”谷垣祯一总结道，他着眼于未来。
只有时间才能告诉我们，通过改进的电子全息显微镜收集到的见解，等待着我们的是令人兴奋的发现和技术飞跃，所以请保持警惕!
参考文献:“单个铁磁点状平面的电子全息观察”，作者:谷垣敏明、明石哲也、吉田隆浩、原田健、石冢和夫、市村正彦、三井和孝、富冈康hide、余修真、新藤大介、德仓吉典、村上靖和Shinada, 2024年7月3日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07673 - w
原子分辨率电子显微镜的开发由日本科学促进会(JSPS)通过由科学、技术和创新理事会(CSTI)发起的“世界领先的科学技术创新研发资助计划(FIRST计划)”资助。此外，本研究的一部分也得到了JST“进化科学与技术核心研究(CREST)”计划(JPMJCR1664)的支持。
