Visualizzazione dell'origine delle forze magnetiche mediante microscopia elettronica a risoluzione atomica / Visualization of the origin of magnetic forces by atomic resolution electron microscopy

Visualizzazione dell'origine delle forze magnetiche mediante microscopia elettronica a risoluzione atomica / Visualization of the origin of magnetic forces by atomic resolution electron microscopy

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

 Figura 1. Immagine del campo magnetico nello

 spazio reale di un α-Fe2O3 antiferromagnetico

 L'immagine della struttura atomica (a sinistra) e

 l'immagine del campo magnetico corrispondente (a

 destra). Nell'immagine della struttura atomica, gli

 atomi di Fe sono visualizzati come punti luminosi.

 Nell'immagine del campo magnetico, il contrasto

 del colore indica l'orientamento e l'intensità del

 campo magnetico. La ruota dei colori interna

 indica in che modo il colore e l'ombra denotano

 l'orientamento e l'intensità del campo magnetico

 nella mappa dei colori vettoriale. I campi

 magnetici antiparalleli sugli strati atomici di Fe

 adiacenti sono chiaramente osservati,

 visualizzando l'ordine antiferromagnetico in questo

 cristallo. / Real-space magnetic field image of an

 antiferromagnetic α-Fe2O3The atomic structure

 image (left) and corresponding magnetic field

 image (right). In the atomic structure image, Fe

 atoms are visualized as bright spots. In the

 magnetic field image, the color contrast indicates

 the magnetic field orientation and strength. The

 inset color wheel indicates how color and shade

 denote the magnetic field orientation and strength

 in the vector color map. The antiparallel magnetic

 fields on the adjacent Fe atomic layers are clearly

 observed, visualizing antiferromagnetic order in

 this crystal.

Il gruppo di sviluppo congiunto del professor

 Shibata (l'Università di Tokyo), JEOL Ltd.

 e l'Università di Monash è riuscito a osservare

 direttamente per la prima volta al mondo un campo

 magnetico atomico, l'origine dei magneti (forza

 magnetica). L'osservazione è stata condotta

 utilizzando il nuovo STEM a risoluzione atomica

 senza campo magnetico (MARS). Questo gruppo era

 già riuscito a osservare per la prima volta il campo

 elettrico all'interno degli atomi nel 2012.

 Tuttavia, poiché i campi magnetici negli atomi

 sono estremamente deboli rispetto ai campi

 elettrici, la tecnologia per osservare i campi

 magnetici era rimasta inesplorata dallo sviluppo

 dell'elettrone microscopi. Si tratta di un risultato

 epocale che riscriverà la storia dello sviluppo del

 microscopio.

I microscopi elettronici hanno la più alta

 risoluzione spaziale tra tutti i microscopi

 attualmente utilizzati. Tuttavia, per ottenere una

 risoluzione ultraelevata in modo che gli atomi

 possano essere osservati direttamente, dobbiamo

 osservare il campione posizionandolo in un campo

 magnetico estremamente forte della lente. Pertanto,

l'osservazione atomica di materiali magnetici

 fortemente influenzati dal campo magnetico della

 lente come magneti e acciai era impossibile per

 molti anni. Per questo difficile problema, il gruppo

 è riuscito a sviluppare una lente che ha una

 struttura completamente nuova nel 2019. Usando

 questa nuova lente, il gruppo ha realizzato

 l'osservazione atomica dei materiali magnetici, che

 non è influenzata dal campo magnetico della

 lente. Il prossimo obiettivo del gruppo era

 osservare i campi magnetici degli atomi, che sono

 l'origine dei magneti (forza magnetica ), e hanno

 continuato lo sviluppo tecnologico per raggiungere

 l'obiettivo.

Questa volta, il gruppo di sviluppo congiunto ha accettato la sfida di osservare i campi magnetici degli atomi di ferro (Fe) in un cristallo di ematite (α-Fe 2 O 3 ) caricando MARS con un rivelatore ad alta velocità ad alta sensibilità di nuova concezione ed ulteriormente utilizzando la tecnologia di elaborazione delle immagini del computer. Per osservare i campi magnetici, hanno utilizzato il metodo Differential Phase Contrast (DPC) a risoluzione atomica, che è un metodo di misurazione del campo elettromagnetico locale ad altissima risoluzione utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM), sviluppato dal professor Shibata et al. I risultati hanno dimostrato direttamente che gli atomi di ferro stessi sono piccoli magneti (magnete atomico). I risultati hanno anche chiarito l'origine del magnetismo (antiferromagnetismo) esibito dall'ematite a livello atomico.

Dai risultati della presente ricerca, è stata dimostrata l'osservazione del campo magnetico atomico ed è stato stabilito un metodo per l'osservazione dei campi magnetici atomici. Questo metodo dovrebbe diventare un nuovo metodo di misurazione in futuro che guiderà la ricerca e lo sviluppo di vari materiali e dispositivi magnetici come magneti, acciai, dispositivi magnetici, memoria magnetica, semiconduttori magnetici, spintronica e materiali topologici.

ENGLISH

The joint development team of Professor Shibata (the University of Tokyo), JEOL Ltd. and Monash University succeeded in directly observing an atomic magnetic field, the origin of magnets (magnetic force), for the first time in the world. The observation was conducted using the newly developed Magnetic-field-free Atomic-Resolution STEM (MARS). This team had already succeeded in observing the electric field inside atoms for the first time in 2012. However, since the magnetic fields in atoms are extremely weak compared with electric fields, the technology to observe the magnetic fields had been unexplored since the development of electron microscopes. This is an epoch-making achievement that will rewrite the history of microscope development.

Electron microscopes have the highest spatial resolution among all currently used microscopes. However, in order to achieve ultra-high resolution so that atoms can be observed directly, we have to observe the sample by placing it in an extremely strong lens magnetic field. Therefore, atomic observation of magnetic materials that are strongly affected by the lens magnetic field such as magnets and steels had been impossible for many years. For this difficult problem, the team succeeded in developing a lens that has a completely new structure in 2019. Using this new lens, the team realized atomic observation of magnetic materials, which is not affected by the lens magnetic field. The team's next goal was to observe the magnetic fields of atoms, which are the origin of magnets (magnetic force), and they continued technological development to achieve the goal.

This time, the joint development team took on the challenge of observing the magnetic fields of iron (Fe) atoms in a hematite crystal (α-Fe2O3) by loading MARS with a newly developed high-sensitivity high-speed detector, and further using computer image processing technology. To observe the magnetic fields, they used the Differential Phase Contrast (DPC) method at atomic resolution, which is an ultrahigh-resolution local electromagnetic field measurement method using a scanning transmission electron microscope (STEM), developed by Professor Shibata et al. The results directly demonstrated that iron atoms themselves are small magnets (atomic magnet). The results also clarified the origin of magnetism (antiferromagnetism) exhibited by hematite at the atomic level.

From the present research results, the observation on atomic magnetic field was demonstrated, and a method for observation of atomic magnetic fields was established. This method is expected to become a new measuring method in the future that will lead the research and development of various magnetic materials and devices such as magnets, steels, magnetic devices, magnetic memory, magnetic semiconductors, spintronics and topological materials.

Da:

https://phys.org/news/2022-02-visualization-magnetic-atomic-resolution-electron.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter