Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали технологию для изучения микроскопического магнетизма в рекордном масштабе. Открытие позволит глубже исследовать антиферромагнетики и их потенциал для создания более быстрых и компактных устройств магнитной памяти.
Микроскопический магнетизм традиционно измеряют с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии или STEM, в которой электронный луч фокусируется на материале. Электрические взаимодействия между лучом и структурой материала используются для получения изображений отдельных атомов в материале, но луч также взаимодействует с магнитной структурой материала. Самые лучшие методы до сих пор позволяли достичь разрешения в несколько нанометров.
Чтобы добиться более высокого разрешения, исследователи использовали более мощную четырехмерную электронную микроскопию. Стандартные методы STEM регистрируют падение интенсивности луча по мере его взаимодействия с материалом, но 4D-STEM фиксирует полные двумерные картины рассеяния, когда электронный луч сканирует поверхность материала в двух направлениях. Эти данные позволили исследователям искать более сложные сигналы атомного антиферромагнетизма в диаграммах полного луча.
Схема изучения магнитных свойств антиферромагнетика: луч микроскопа падает на образец материала, детекторы собирают данные о «магнитном узоре». Изображение: The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign
Постоянные магниты, которые можно найти повсюду в холодильниках, существуют потому, что составляющие их атомы ведут себя как миниатюрные магниты. Они выравниваются и объединяются, чтобы сформировать больший магнит в явлении, называемом ферромагнетизмом. Есть некоторые материалы — антиферромагнетики, в которых атомарные магниты вместо этого образуют чередующийся узор, поэтому материал не имеет чистой намагниченности.
Объединив 4D-STEM с моделированием магнитных полей в образце арсенида железа, исследователи разрешили магнитный порядок до 6 ангстрем. Хотя это не устраняет магнитные эффекты в масштабе отдельных атомов, это позволило им разрешить антиферромагнитный паттерн арсенида железа, который повторяется в ячейках из 12 атомов.
Наша работа показала, что можно разрешить мелкомасштабный магнитный порядок в экспериментах с электронной микроскопией и в моделировании почти с атомарным разрешением. Мы активно разрабатываем методы, которые будут опираться на этот результат.
Пиншан Хуанг, профессор материаловедения и инженерии и руководитель исследования
