日立公司Nature：首次实现单个铁磁晶格面的电子全息观测！

一、【科学背景】

分析材料的磁结构及其相关的自旋位形对于固态物理学、无机化学和自旋电子学以及材料科学工程等其他领域都至关重要。磁结构通常由中子散射来确定。然而，中子散射的磁散射截面较小，因此测试时需要大量的样品。因而该方法不适合难以生长的样品，如大晶体或由薄膜、纳米粒子、纳米线和其他此类结构组成的电子器件。电子显微镜中硬件型像差校正的发展使原子分辨率的局部结构观察以及化学和振动分析成为可能。然而，在磁成像中，通过将样品置于强磁场中，利用电子能量损失光谱分析原子级自旋构型，这破坏了样品中磁有序的性质。尽管无磁场观测可以通过晶胞平均来可视化反铁磁体的固有磁场，但直接观测非均匀结构的单个原子层的磁场是具有挑战性的。

二、【创新成果】

近期，日本株式会社日立制作所Toshiaki Tanigaki及其研究团队在Nature上发表了题为“Electron holography observation of individual ferrimagnetic lattice planes”的论文，报道了在无磁场条件下，采用数字后像差校正辅助的硬件型像差校正器，并结合电子全息术，成功对亚铁磁双钙钛矿晶体Ba₂FeMoO₆中单个晶格平面的磁场分布进行了无磁场观测。该方法能够在观察后进行数字聚焦，并控制磁化，分离晶体内磁化、静电势和电子衍射等现象产生的信号。这一突破性发现为直接观测众多材料及器件中局部区域（诸如界面与晶界）的磁晶格结构开辟了新的途径。

本研究以双钙钛矿晶体Ba₂FeMoO₆为研究目标，它在室温下具有自旋极化的巨隧穿磁阻，并且在高的居里温度下展现出类似自旋导体的性质。

图1Ba₂FeMoO₆的晶体结构和磁场示意图© 2024 Springer Nature

图2用电子全息术观测的铁磁晶格面© 2024 Springer Nature

图3静电相和磁相的模拟© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究的脉冲磁化和后数字像差校正使得使用1.2 MV全息电子显微镜和像差校正器的电子全息术观察样品内单个亚铁磁晶格平面的磁场成为可能。考虑到原子尺度磁场，本研究通过多层模拟对观测到的磁场进行了分析。这种通过电子全息术进行的高分辨率磁场观测可能会开辟电子显微镜应用的新前沿，并可用于研究各种基础和应用物理问题，包括材料和器件界面和边界处的新兴电磁现象。

原文详情：Electron holography observation of individual ferrimagnetic lattice planes(Nature2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07673-w)

本文由大兵哥供稿。