Визуализация магнитных полей в атомном масштабе с помощью голографического электронного микроскопа
Исследовательская группа из Японии, в которую входят ученые из Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), Университета Кюсю, RIKEN и HREM Research Inc. (HREM), достигла крупного прорыва в наблюдении магнитных полей в невообразимо малых масштабах. В сотрудничестве с Национальным институтом передовой промышленной науки и технологий (AIST) и Национальным институтом материаловедения (NIMS) группа использовала голографический электронный микроскоп атомного разрешения Hitachi с недавно разработанной технологией получения изображений и алгоритмами коррекции расфокусировки для визуализации магнитных полей отдельных атомных слоев в кристаллическом твердом теле. Учёные провели измерения электронной голографии на образцах Ba2FeMoO6, слоистого кристаллического материала, в котором соседние атомные слои имеют различные магнитные поля. Сравнив результаты своих экспериментов с результатами моделирования, они подтвердили, что превзошли ранее установленный рекорд, сумев наблюдать магнитные поля с беспрецедентным разрешением 0,47 нм.
Благодаря передовым методам получения изображений и автоматической коррекции аберраций исследователям удалось измерить магнитные поля в Ba2FeMoO6 с новаторским разрешением 0,47 нм для метода, который позволяет наблюдать неровные образцы. Такое высокое разрешение имеет решающее значение при наблюдении магнитных явлений, которые происходят на границе раздела между материалами.
Кредит: Тошиаки Танигаки / Hitachi, Ltd.
Многие достижения в области электронных устройств, катализа, транспортировки и генерации энергии стали возможны благодаря разработке и внедрению высокопроизводительных материалов с индивидуальными характеристиками. Расположение атомов и поведение электронов являются одними из наиболее важных факторов, определяющих свойства кристаллического материала.
Примечательно, что ориентация и напряженность магнитных полей непосредственно на границе раздела между различными материалами или атомными слоями особенно важны и часто помогают объяснить многие необычные физические явления.
До этого прорыва максимальное разрешение, при котором можно было наблюдать магнитное поле атомных слоев, ограничивалось примерно 0,67 нм — рекорд, установленный компанией Hitachi с помощью ее новейшего голографического электронного микроскопа в 2017 году.
Теперь, благодаря большому совместному проекту, исследователи смогли еще больше расширить этот предел, устранив несколько ключевых ограничений в голографическом электронном микроскопе Hitachi. Их выводы были опубликованы в журнале Nature 3 июля 2024 года.
Сначала исследователи разработали систему для автоматизации управления и настройки устройства во время сбора данных, значительно ускорив процесс визуализации до скорости 10 000 изображений за 8,5 часов. Затем, выполняя определенные операции усреднения с этими изображениями, они минимизировали шум, чтобы получить гораздо более четкие изображения, содержащие отдельные данные об электрическом поле и магнитном поле.
Следующей задачей, которую пришлось решать, стала коррекция незначительной расфокусировки, которая вызывала аберрации в полученных изображениях.
«Использованная нами идея коррекции аберраций после захвата изображения в точности совпадает с той, которая побудила доктора Денниса Габора изобрести электронную голографию в 1948 году. Другими словами, эта методология уже была теоретически обоснована. Однако до сих пор не существовало технологических реализаций для такой автоматизированной коррекции во внеосевой электронной голографии», — объясняет главный научный сотрудник Тошиаки Танигаки из Hitachi, Ltd.
Реализованная методика позволила исправить расфокусировку, вызванную незначительными смещениями фокуса, путем анализа реконструированных электронных волн. Благодаря этому подходу полученные изображения были свободны от остаточных аберраций, что сделало положения и фазы атомов легко различимыми с помощью магнитного поля.
Используя эти два нововведения, группа провела измерения электронной голографии на образцах Ba2FeMoO6, слоистого кристаллического материала, в котором соседние атомные слои имеют различные магнитные поля.
Сравнив результаты своих экспериментов с результатами моделирования, они подтвердили, что превзошли ранее установленный рекорд, сумев наблюдать магнитные поля Ba2FeMoO6 с беспрецедентным разрешением 0,47 нм.
«Этот результат открывает двери для прямых наблюдений магнитных решеток в определенных областях, таких как интерфейсы и границы зерен, во многих материалах и устройствах», — сказал Танигаки.
«Наше исследование знаменует собой первый шаг на пути к изучению многих скрытых явлений, существование которых может быть обнаружено с помощью конфигураций электронных спинов в магнитных материалах».
Команда ожидает, что их выдающееся достижение поможет решить множество научных и технологических задач.
«Наш электронный микроскоп с голографией атомного разрешения будет использоваться различными сторонами, способствуя прогрессу в широком спектре областей — от фундаментальной физики до устройств следующего поколения. В конечном итоге это проложит путь к созданию общества с нулевым уровнем выбросов углерода за счет разработки высокопроизводительных магнитов и высокофункциональных материалов, которые необходимы для усилий по декарбонизации и энергосбережению», — заключает Танигаки.
