陈震副研究员与合作者报道新的磁成像技术

qinglang

磁性材料中通常会形成复杂的磁畴、涡旋和三维拓扑结构等自旋织构，这些自旋织构会表现出很多新奇的物理性质，并有望作为信息载体用于下一代新型低能耗的信息存储器。探索新的更小尺寸的自旋织构，并研究其形态、內禀结构和动态演化是实现高密度自旋电子学器件的基础。而这类研究通常需要高空间分辨率的磁成像技术。目前常用的光学成像技术一般只能实现微米到几百纳米的分辨率，极大地限制了亚微米到原子尺度自旋织构的研究。在10-20纳米以下的空间尺度，现有成像技术主要包括研究样品表面的扫描探针技术和基于同步辐射线站的X射线技术，在应用上都有一定的局限性。因此需要开发具有更大普适性的高分辨率磁成像技术。
近期，清华大学材料学院陈震副研究员与美国康奈尔大学等机构的研究者合作开发了一种新的磁成像技术。这种技术结合零磁场下的洛伦兹四维扫描透射电子显微术和电子叠层衍射成像技术，突破了电磁透镜和光阑限制的物理衍射极限，大幅度提高了磁成像的分辨率，并通过数值模拟展示了现有设备实现亚纳米分辨率的可能性。该工作使用FeGe样品作为模型体系，在94开的低温（约零下180摄氏度）下，成功展示了磁斯格明子内部清晰的精细结构。研究中使用的透射电子显微镜，更常用来进行材料原子排列的结构成像，最新的球差校正电子显微镜日常即能实现优于0.1纳米的分辨率。
         结合类似的叠层衍射成像技术，陈震与合作者在2018年实现了图像空间分辨率的吉尼斯世界纪录，并在2021年进一步实现了接近原子热振动极限的20皮米分辨率，该成果也是中国两院院士评选出的2021年世界十大科技进展新闻之一。
         然而常规原子成像技术需要使用强的电磁透镜对电子进行聚焦，在样品附近会产生约2特斯拉的强磁场，这个磁场会破坏大部分磁性样品内的本征磁畴结构。为了研究铁磁或亚铁磁材料本征的自旋织构，通常需要零磁场或者接近零磁场的成像条件，由此分辨率会大大降低。透射电镜中常用洛伦兹透射电子显微术和电子全息技术来对自旋织构进行高分辨率成像，然而受限于成像原理和仪器硬件，这些方法的分辨率和解析度存在很大不足。该研究报道的新技术在空间分辨率和测量灵敏度等方面均有明显的优势，为自旋电子学相关领域的研究提供了一种新的工具，具有广泛的应用前景。

实验原理示意图（左图），磁斯格明子晶格磁矩分布图（中图）和放大的矢量图（右图）

         该研究是国际上首次在透射电子显微镜中实现磁结构的叠层衍射成像技术，研究成果于10月31日在线发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上，论文题目为“超越衍射极限的磁织构洛伦兹电子叠层衍射成像”（Lorentz electron ptychography for imaging magnetic textures beyond the diffraction limit）。
该技术的实现需要使用非标准成像模式，基于大量的设备调试和参数校正，并在算法优化和参数选择上进行大量摸索。清华大学材料学院陈震副研究员在美国康奈尔大学博士后期间主导完成该工作，担任该论文的第一作者和共同通讯作者。入职材料学院以来，陈震带领团队在北京电子显微镜中心的设备上成功复现了该技术，并做出了新的发展。这些新技术的发展进一步拓展了北京电子显微镜中心大型仪器平台的成像能力，可以更好地为广大用户提供测试服务。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01224-y#Sec10
        文章来源：清华大学
        陈震，2014年于中国科学院物理研究所获理学博士学位，之后于澳大利亚莫纳什大学和美国康奈尔大学做博士后研究，目前为清华大学材料学院北京电子显微镜中心副研究员。相关研究工作获得图像分辨率吉尼斯世界纪录和两院院士评选的2021年世界十大科技进展新闻。入选国家级人才青年项目（优先资助）、MIT Technology Review 2021年度中国区35位35岁以下创新人物，获得美国显微学会博士后奖。相关工作以第一作者或通讯作者发表在Nature、Science和Nature Nanotechnology等期刊上。