清華新聞網(wǎng)11月4日電 磁性材料中通常會(huì)形成復(fù)雜的磁疇、渦旋和三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等自旋織構(gòu)，這些自旋織構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出很多新奇的物理性質(zhì)，并有望作為信息載體用于下一代新型低能耗的信息存儲(chǔ)器。探索新的更小尺寸的自旋織構(gòu)，并研究其形態(tài)、內(nèi)稟結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化是實(shí)現(xiàn)高密度自旋電子學(xué)器件的基礎(chǔ)。而這類(lèi)研究通常需要高空間分辨率的磁成像技術(shù)。目前常用的光學(xué)成像技術(shù)一般只能實(shí)現(xiàn)微米到幾百納米的分辨率，極大地限制了亞微米到原子尺度自旋織構(gòu)的研究。在10-20納米以下的空間尺度，現(xiàn)有成像技術(shù)主要包括研究樣品表面的掃描探針技術(shù)和基于同步輻射線(xiàn)站的X射線(xiàn)技術(shù)，在應(yīng)用上都有一定的局限性。因此需要開(kāi)發(fā)具有更大普適性的高分辨率磁成像技術(shù)。
近期，清華大學(xué)材料學(xué)院陳震副研究員與美國(guó)康奈爾大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者合作開(kāi)發(fā)了一種新的磁成像技術(shù)。這種技術(shù)結(jié)合零磁場(chǎng)下的洛倫茲四維掃描透射電子顯微術(shù)和電子疊層衍射成像技術(shù)，突破了電磁透鏡和光闌限制的物理衍射極限，大幅度提高了磁成像的分辨率，并通過(guò)數(shù)值模擬展示了現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)亞納米分辨率的可能性。該工作使用FeGe樣品作為模型體系，在94開(kāi)的低溫（約零下180攝氏度）下，成功展示了磁斯格明子內(nèi)部清晰的精細(xì)結(jié)構(gòu)。研究中使用的透射電子顯微鏡，更常用來(lái)進(jìn)行材料原子排列的結(jié)構(gòu)成像，最新的球差校正電子顯微鏡日常即能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1納米的分辨率。
結(jié)合類(lèi)似的疊層衍射成像技術(shù)，陳震與合作者在2018年實(shí)現(xiàn)了圖像空間分辨率的吉尼斯世界紀(jì)錄，并在2021年進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了接近原子熱振動(dòng)極限的20皮米分辨率，該成果也是中國(guó)兩院院士評(píng)選出的2021年世界十大科技進(jìn)展新聞之一。
然而常規(guī)原子成像技術(shù)需要使用強(qiáng)的電磁透鏡對(duì)電子進(jìn)行聚焦，在樣品附近會(huì)產(chǎn)生約2特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)破壞大部分磁性樣品內(nèi)的本征磁疇結(jié)構(gòu)。為了研究鐵磁或亞鐵磁材料本征的自旋織構(gòu)，通常需要零磁場(chǎng)或者接近零磁場(chǎng)的成像條件，由此分辨率會(huì)大大降低。透射電鏡中常用洛倫茲透射電子顯微術(shù)和電子全息技術(shù)來(lái)對(duì)自旋織構(gòu)進(jìn)行高分辨率成像，然而受限于成像原理和儀器硬件，這些方法的分辨率和解析度存在很大不足。該研究報(bào)道的新技術(shù)在空間分辨率和測(cè)量靈敏度等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)，為自旋電子學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了一種新的工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。
實(shí)驗(yàn)原理示意圖（左圖），磁斯格明子晶格磁矩分布圖（中圖）和放大的矢量圖（右圖）
該研究是國(guó)際上首次在透射電子顯微鏡中實(shí)現(xiàn)磁結(jié)構(gòu)的疊層衍射成像技術(shù)，研究成果于10月31日在線(xiàn)發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上，論文題目為“超越衍射極限的磁織構(gòu)洛倫茲電子疊層衍射成像”（Lorentz electron ptychography for imaging magnetic textures beyond the diffraction limit）。
該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要使用非標(biāo)準(zhǔn)成像模式，基于大量的設(shè)備調(diào)試和參數(shù)校正，并在算法優(yōu)化和參數(shù)選擇上進(jìn)行大量摸索。清華大學(xué)材料學(xué)院陳震副研究員在美國(guó)康奈爾大學(xué)博士后期間主導(dǎo)完成該工作，擔(dān)任該論文的第一作者和共同通訊作者。入職材料學(xué)院以來(lái)，陳震帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在北京電子顯微鏡中心的設(shè)備上成功復(fù)現(xiàn)了該技術(shù)，并做出了新的發(fā)展。這些新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步拓展了北京電子顯微鏡中心大型儀器平臺(tái)的成像能力，可以更好地為廣大用戶(hù)提供測(cè)試服務(wù)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01224-y#Sec10
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
