前所未有的分辨率先进的显微镜揭示了原子尺度的磁场

借助先进的图像采集和自动像差校正技术，研究人员成功地测量了 Ba2FeMoO6 中的磁场，分辨率达到了 0.47 nm，这是一种能够观察不均匀样品的突破性方法。这种高分辨率对于观察材料界面的磁现象至关重要。资料来源：日立公司 Toshiaki Tanigaki。

该团队与日本国立产业技术综合研究所（AIST）和日本国立材料科学研究所（NIMS）合作，利用日立公司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散焦校正算法，将晶体固体中单个原子层的磁场可视化。

电子设备、催化、交通和能源生产领域的许多进步都得益于具有定制特性的高性能材料的开发和采用。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，不同材料或原子层之间界面的磁场方向和强度尤为重要，通常有助于解释许多奇特的物理现象。在取得这一突破之前，观察原子层磁场的最大分辨率仅限于 0.67 纳米左右，日立公司在 2017 年利用其尖端的全息电子显微镜创下了这一纪录。

现在，在一个大型合作项目的帮助下，研究人员解决了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。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。

研究人员首先开发了一套系统，用于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 小时内拍摄了 10000 幅图像。然后，通过对这些图像进行特定的平均运算，他们将噪音降到了最低，从而获得了包含不同电场和磁场数据的更加清晰的图像。

接下来要解决的难题是校正微小的散焦，因为散焦会导致获取的图像出现像差。

"我们采用的图像捕捉后校正像差的方法与丹尼斯-加博尔博士在 1948 年发明电子全息技术时所采用的方法如出一辙。换句话说，这种方法在理论上已经确立。"日立公司的首席研究员 Toshiaki Tanigaki 解释说："但直到现在，离轴电子全息技术中还没有实现这种自动校正的技术。日立公司的首席研究员 Toshiaki Tanigaki 解释说："所采用的技术能够通过分析重建的电子波来校正由于轻微的焦点偏移而导致的散焦。由于采用了这种方法，得到的图像没有残余像差，因此在磁场作用下很容易辨别原子的位置和相位。"

利用这两项创新，研究小组对Ba2FeMoO6 样品进行了电子全息测量，这是一种层状晶体材料，其中相邻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，他们证实自己超越了之前创下的纪录，成功地以前所未有的 0.47 纳米分辨率观测到了Ba2FeMoO6的磁场。"这一结果为直接观测许多材料和设备中特定区域（如界面和晶界）的磁晶格打开了大门，"Tanigaki 兴奋地评论道。"我们的研究标志着向研究许多隐藏现象迈出了第一步，磁性材料中的电子自旋构型可以揭示这些现象的存在。"

该团队希望他们的杰出成就能够帮助解决许多科学和技术挑战。这种原子分辨率全息电子显微镜将为各方所用，促进从基础物理学到下一代设备等广泛领域的进步。最终，这将通过开发脱碳和节能所必需的高性能磁体和高功能材料，为实现碳中和社会铺平道路。只有时间才能告诉我们，通过改进的电子全息显微技术收集到的信息会带来哪些激动人心的发现和技术飞跃。

编译自/ScitechDaily