清華新聞網(wǎng)2月26日電 對(duì)固體中的磁場(chǎng)分布進(jìn)行成像，即磁成像，是研究磁性與超導(dǎo)現(xiàn)象的重要手段，廣泛應(yīng)用于磁性材料、自旋電子學(xué)、超導(dǎo)物理與技術(shù)等領(lǐng)域。晶格分辨是磁成像的分水嶺。以高能電子作為光源的電子顯微鏡是高分辨成像的主要平臺(tái)。然而，由于磁場(chǎng)對(duì)高能電子波函數(shù)的相位的影響很小，顯微圖像中的磁信號(hào)非常微弱，導(dǎo)致磁成像的空間分辨率長(zhǎng)期停留在納米尺度，難以進(jìn)入晶格尺度。反鐵磁材料中的磁場(chǎng)以晶胞為周期振蕩，只有達(dá)到了晶格分辨才能對(duì)其磁場(chǎng)分布進(jìn)行成像，因此一直是磁成像的難題。
近期，清華大學(xué)材料學(xué)院于榮教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)此前發(fā)展的自適應(yīng)傳播因子疊層成像（APP）方法，精確測(cè)量了電子波函數(shù)的相位，實(shí)現(xiàn)了晶格分辨的反鐵磁成像。
研究團(tuán)隊(duì)首先以典型的反鐵磁晶體α-Fe2O3為例，分析了靜電勢(shì)和磁矢勢(shì)對(duì)高能電子的相位貢獻(xiàn)。如圖1所示，磁相位和靜電相位在實(shí)空間和倒空間中的分布均不同，實(shí)空間中靜電相位峰值出現(xiàn)在Fe原子柱上，而磁相位的峰值出現(xiàn)Fe原子層之間；倒空間中，靜電相位和磁相位的周期不同，其衍射的分布也不同。這種可分離的相位分布是高分辨磁成像的基礎(chǔ)。然而，由于磁相位僅約靜電相位的1%，從總相位中提取磁相位需要很高的相位精度。疊層成像方法在引入自適應(yīng)傳播因子后，進(jìn)一步提高了相位測(cè)量的精度，使得高分辨磁相位提取成為可能。
圖1.靜電勢(shì)和磁矢勢(shì)對(duì)高能電子波函數(shù)的相位貢獻(xiàn)。其中（a）-（d）為實(shí)空間中相位分布，（e）-（h）為相位分布的傅里葉變換
高分辨反鐵磁成像的另一阻礙來(lái)自于透射電鏡薄膜樣品不可避免的表面損傷層。圖2給出了表面損傷層和晶體內(nèi)部的相位分布。由于靜電相位遠(yuǎn)大于磁相位，即使很薄的表面損傷層，其靜電相位也會(huì)比晶體內(nèi)部的本征磁相位大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，只有將表面損傷層的靜電相位剝離，才能測(cè)量晶體內(nèi)部很弱的本征磁相位。
圖2.實(shí)驗(yàn)樣品的表面不可避免存在空位和臺(tái)階等表面缺陷。（a）和（b）分別為樣品表面和內(nèi)部的相位像
圖3是通過(guò)APP方法提取反鐵磁相位的流程。首先是通過(guò)APP方法來(lái)獲取高能電子波函數(shù)的相位，而后去除表面層，僅用完整的中間層來(lái)分析本征磁相位。該方法突破了傳統(tǒng)磁成像技術(shù)只有納米尺度空間分辨率的限制，實(shí)現(xiàn)了晶格分辨的磁成像，將在磁性材料與器件、超導(dǎo)物理等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。
圖3.從疊層成像的總相位中提取磁相位的流程圖。（a）4D數(shù)據(jù)采集示意圖；（b）疊層重構(gòu)得到的不同深度片層的相位像；（c）被選取的中間片層的平均相位；（d）使用傅里葉濾波法實(shí)現(xiàn)的晶格分辨的反鐵磁成像
相關(guān)研究成果以“反鐵磁成像的疊層相位恢復(fù)方法”（Antiferromagnetic imaging via ptychographic phase retrieval）為題在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2019級(jí)博士生崔吉哲和2018級(jí)博士生沙浩治為論文共同第一作者，2021級(jí)博士生楊文峰為合作作者，于榮為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.044
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
