Visualisierung des Ursprungs der magnetischen Kräfte durch Elektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung
Beschleunigung der Forschung und Entwicklung im Bereich modernster Materialien wie Magnete, Halbleiter und Quantentechnologie
Dem gemeinsamen Entwicklungsteam von Professor Shibata (Universität Tokio), JEOL Ltd. und der Monash University ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, ein atomares Magnetfeld, den Ursprung von Magneten (Magnetkraft), direkt zu beobachten. Die Beobachtung wurde mit dem neu entwickelten Magnetfeld-freien Atomic-Resolution STEM (MARS) durchgeführt. Diesem Team war es bereits 2012 erstmals gelungen, das elektrische Feld im Inneren von Atomen zu beobachten. Da jedoch die Magnetfelder in Atomen im Vergleich zu den elektrischen Feldern extrem schwach sind, war die Technologie zur Beobachtung der Magnetfelder seit der Entwicklung der Elektronenmikroskope unerforscht. Dies ist eine bahnbrechende Errungenschaft, die die Geschichte der Mikroskopentwicklung neu schreiben wird.
Das Atomstrukturbild (links) und das entsprechende Magnetfeldbild (rechts). Auf dem Atomstrukturbild sind die Fe-Atome als helle Flecken zu sehen. Im Magnetfeldbild zeigt der Farbkontrast die Ausrichtung und Stärke des Magnetfelds an. Der eingefügte Farbkreis zeigt, wie Farbe und Schatten die Magnetfeldorientierung und -stärke in der Vektorfarbkarte darstellen. Die antiparallelen Magnetfelder auf den benachbarten Fe-Atomschichten sind deutlich zu erkennen und machen die antiferromagnetische Ordnung in diesem Kristall sichtbar.
Naoya Shibata
Elektronenmikroskope haben die höchste räumliche Auflösung unter allen derzeit verwendeten Mikroskopen. Um jedoch eine ultrahohe Auflösung zu erreichen, so dass Atome direkt beobachtet werden können, müssen wir die Probe in einem extrem starken Linsenmagnetfeld beobachten. Daher war die atomare Beobachtung von magnetischen Materialien, die durch das Magnetfeld der Linse stark beeinflusst werden, wie Magnete und Stähle, viele Jahre lang unmöglich. Für dieses schwierige Problem ist es dem Team gelungen, 2019 eine Linse zu entwickeln, die eine völlig neue Struktur aufweist. Mit dieser neuen Linse konnte das Team die atomare Beobachtung magnetischer Materialien realisieren, die nicht durch das Magnetfeld der Linse beeinflusst wird. Das nächste Ziel des Teams war die Beobachtung der Magnetfelder von Atomen, die der Ursprung von Magneten (Magnetkraft) sind, und es setzte die technologische Entwicklung fort, um dieses Ziel zu erreichen.
Diesmal nahm das gemeinsame Entwicklungsteam die Herausforderung an, die Magnetfelder von Eisen(Fe)-Atomen in einem Hämatitkristall (α-Fe2O3) zu beobachten, indem es MARS mit einem neu entwickelten, hochempfindlichen Hochgeschwindigkeitsdetektor bestückte und darüber hinaus Computerbildverarbeitungstechnologie einsetzte. Zur Beobachtung der Magnetfelder verwendeten sie die Differential-Phasenkontrast-Methode (DPC) mit atomarer Auflösung, eine von Professor Shibata et al. entwickelte Methode zur Messung lokaler elektromagnetischer Felder mit ultrahoher Auflösung unter Verwendung eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (STEM). Die Ergebnisse zeigten direkt, dass Eisenatome selbst kleine Magnete sind (atomarer Magnet). Die Ergebnisse klärten auch den Ursprung des Magnetismus (Antiferromagnetismus), den Hämatit auf atomarer Ebene aufweist.
Anhand der vorliegenden Forschungsergebnisse wurde die Beobachtung des atomaren Magnetfelds nachgewiesen und eine Methode zur Beobachtung atomarer Magnetfelder entwickelt. Es wird erwartet, dass diese Methode in Zukunft zu einer neuen Messmethode wird, die die Forschung und Entwicklung verschiedener magnetischer Materialien und Geräte wie Magnete, Stähle, magnetische Geräte, magnetische Speicher, magnetische Halbleiter, Spintronik und topologische Materialien vorantreiben wird.
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