UIUC研究人员以迄今为止最小的尺度对磁行为进行成像
随处可见的永久磁铁存在于冰箱中，因为它们的组成原子表现为微型磁铁。它们对齐并结合形成更大的磁铁，这种现象称为铁磁性。有些材料的原子磁铁形成交替模式，因此该材料没有净磁化强度。这种反铁磁体因其在计算中创造更快、更紧凑的磁存储设备的潜力而备受关注。
实现反铁磁设备的全部潜力将需要感测它们的原子到原子磁模式，这是尚未实现的。然而，由材料科学与工程教授 Pinshane Huang 领导的伊利诺伊大学香槟分校的研究人员在实现这一目标方面取得了进展。在Ultramicroscopy杂志中，他们报告了一种新的电子显微镜技术，该技术可以解析埃级(十分之一纳米，几乎是单个原子级)的磁行为。他们使用这种技术首次完全解析了砷化铁中的反铁磁序。
“我们正在努力开发可以解决单个原子磁性行为的新技术，这项研究是重要的一步，”黄说。“现在最好的技术已经达到了几纳米的分辨率。我们已经大大超过了那个记录。”
微观磁性通常用扫描透射电子显微镜或 STEM 测量，其中电子束聚焦到材料中。众所周知，光束与材料结构之间的电相互作用可用于提供材料中单个原子的图像，但光束还与材料的磁性结构相互作用。虽然这种弱得多的相互作用足以确定铁磁体中发现的长程磁序，但需要更精确的技术来观察反铁磁体中原子与原子的变化。
“在标准的低分辨率 STEM 实验中，磁相互作用可以理解为电子束的小偏转，”该研究的博士后研究员兼共同主要作者 Kayla Nguyen 说。“但是，在单个原子的规模上，这幅图解了。磁相互作用在光束模式中产生复杂而微妙的信号，需要新的工具来分析和理解。”
为了获得更高的分辨率，研究人员转向了一种更强大的方法，称为四维 STEM。标准 STEM 技术记录光束与材料相互作用时的强度下降，但 4D-STEM 捕获完整的二维散射模式，因为电子束沿材料表面的两个方向扫描(对于四维数据)。这些数据使研究人员能够搜索完整的光束模式，以寻找更复杂的原子反铁磁性信号。
分析的一个关键步骤是模拟砷化铁样品中的磁场，研究人员为此编写了一个名为 Magnstem 的软件包。研究生和共同主要作者 Jeffrey Huang 解释说，该软件包允许他们添加特定于材料的磁效应，并研究它们对电子束模式的影响。
“Magnstem 模拟使我们能够比较电子模式与磁效应打开和关闭，这在真实实验中很难做到，”他说。“我们看到磁信号和电信号的影响发生在图案的不同部分，可以单独提取。”
通过将 4D-STEM 与 Magnstem 模拟相结合，研究人员解决了低至 6 埃的磁序。虽然这不能解决单个原子尺度上的磁效应，但它使他们能够解决砷化铁的反铁磁模式，该模式在 12 个原子的细胞中重复出现。
“我们的工作表明，在电子显微镜实验和模拟中，几乎可以在原子分辨率下解决小规模磁序是可能的，”P. Huang 说。“我们正在积极开发以这一结果为基础的技术。”
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研究人员与材料科学与工程教授 Daniel Shoemaker 和 André Schleife 的研究小组合作。Shoemaker 的小组制作了砷化铁样品，Schleife 的小组对材料的磁性结构进行了模拟。
这项工作得到了空军科学研究办公室和伊利诺斯材料研究科学与工程中心的支持，该中心通过国家科学基金会资助。Nguyen 得到欧莱雅女性科学家奖学金的支持。这项研究利用了伊利诺伊大学香槟分校材料研究实验室的电子显微镜设备。
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