日立公司Nature：首次實現單個鐵磁晶格面的電子全息觀測！

一、【科學背景】

分析材料的磁結構及其相關的自旋位形對于固態物理學、無機化學和自旋電子學以及材料科學工程等其他領域都至關重要。磁結構通常由中子散射來確定。然而，中子散射的磁散射截面較小，因此測試時需要大量的樣品。因而該方法不適合難以生長的樣品，如大晶體或由薄膜、納米粒子、納米線和其他此類結構組成的電子器件。電子顯微鏡中硬件型像差校正的發展使原子分辨率的局部結構觀察以及化學和振動分析成為可能。然而，在磁成像中，通過將樣品置于強磁場中，利用電子能量損失光譜分析原子級自旋構型，這破壞了樣品中磁有序的性質。盡管無磁場觀測可以通過晶胞平均來可視化反鐵磁體的固有磁場，但直接觀測非均勻結構的單個原子層的磁場是具有挑戰性的。

二、【創新成果】

近期，日本株式會社日立制作所Toshiaki Tanigaki及其研究團隊在Nature上發表了題為“Electron holography observation of individual ferrimagnetic lattice planes”的論文，報道了在無磁場條件下，采用數字后像差校正輔助的硬件型像差校正器，并結合電子全息術，成功對亞鐵磁雙鈣鈦礦晶體Ba₂FeMoO₆中單個晶格平面的磁場分布進行了無磁場觀測。該方法能夠在觀察后進行數字聚焦，并控制磁化，分離晶體內磁化、靜電勢和電子衍射等現象產生的信號。這一突破性發現為直接觀測眾多材料及器件中局部區域（諸如界面與晶界）的磁晶格結構開辟了新的途徑。?

本研究以雙鈣鈦礦晶體Ba₂FeMoO₆為研究目標，它在室溫下具有自旋極化的巨隧穿磁阻，并且在高的居里溫度下展現出類似自旋導體的性質。

圖1? Ba₂FeMoO₆的晶體結構和磁場示意圖 ? 2024 Springer Nature

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圖2? 用電子全息術觀測的鐵磁晶格面 ? 2024 Springer Nature

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圖3? 靜電相和磁相的模擬 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究的脈沖磁化和后數字像差校正使得使用1.2 MV全息電子顯微鏡和像差校正器的電子全息術觀察樣品內單個亞鐵磁晶格平面的磁場成為可能。考慮到原子尺度磁場，本研究通過多層模擬對觀測到的磁場進行了分析。這種通過電子全息術進行的高分辨率磁場觀測可能會開辟電子顯微鏡應用的新前沿，并可用于研究各種基礎和應用物理問題，包括材料和器件界面和邊界處的新興電磁現象。

原文詳情：Electron holography observation of individual ferrimagnetic lattice planes (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07673-w)

本文由大兵哥供稿。