Einem Forschungsteam aus Japan, darunter Wissenschaftler von Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), der Kyushu University, RIKEN und HREM Research Inc. (HREM), ist ein großer Durchbruch bei der Beobachtung von Magnetfeldern in unvorstellbar kleinen Maßstäben gelungen.
In Zusammenarbeit mit dem National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und dem National Institute for Materials Science (NIMS) verwendete das Team Hitachis holografisches Elektronenmikroskop mit atomarer Auflösung – mit einer neu entwickelten Bilderfassungstechnologie und Algorithmen zur Defokussierungskorrektur – um die Magnetfelder einzelner Atomschichten innerhalb eines kristallinen Feststoffs zu visualisieren.
Viele Fortschritte in elektronischen Geräten, der Katalyse, dem Transportwesen und der Energieerzeugung wurden durch die Entwicklung und Einführung von Hochleistungsmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften ermöglicht. Atomanordnung und Elektronenverhalten gehören zu den entscheidendsten Faktoren, die die Eigenschaften eines kristallinen Materials bestimmen.
Besonders wichtig sind dabei die Ausrichtung und Stärke magnetischer Felder direkt an der Schnittstelle zwischen unterschiedlichen Materialien oder Atomschichten, die oft zur Erklärung vieler ungewöhnlicher physikalischer Phänomene beitragen.
Vor diesem Durchbruch war die maximale Auflösung, mit der das Magnetfeld von Atomschichten beobachtet werden konnte, auf etwa 0,67 nm begrenzt. Dieser Rekord wurde 2017 von Hitachi mit seinem hochmodernen Holographie-Elektronenmikroskop aufgestellt.
Dank eines großen Gemeinschaftsprojekts ist es Forschern nun gelungen, diese Grenze noch weiter zu verschieben, indem sie einige wichtige Einschränkungen des Holographie-Elektronenmikroskops von Hitachi behoben haben. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht im Journal Natur am 3. Juli 2024.
Die Forscher entwickelten zunächst ein System zur Automatisierung der Steuerung und Feineinstellung des Geräts während der Datenerfassung, wodurch der Bildgebungsprozess erheblich beschleunigt wurde und 10.000 Bilder in 8,5 Stunden aufgenommen werden konnten. Anschließend minimierten sie das Rauschen, indem sie mit diesen Bildern spezielle Mittelungsoperationen durchführten, um deutlich klarere Bilder mit klar abgegrenzten Daten zu elektrischen und magnetischen Feldern zu erhalten.
Die nächste Herausforderung bestand in der Korrektur winziger Defokussierungen, die zu Aberrationen in den aufgenommenen Bildern führten.
„Die Idee der Korrektur von Aberrationen nach der Bildaufnahme, die wir verwendet haben, ist genau dieselbe, die Dr. Dennis Gabor 1948 zur Erfindung der Elektronenholografie motiviert hatte. Mit anderen Worten, die Methode war theoretisch bereits etabliert. Bislang gab es jedoch keine technologische Umsetzung für eine solche automatische Korrektur in der außeraxialen Elektronenholografie“, erklärt Forschungsleiter Toshiaki Tanigaki von Hitachi, Ltd.
Die implementierte Technik konnte die Defokussierung aufgrund kleiner Fokusverschiebungen durch Analyse rekonstruierter Elektronenwellen korrigieren. Dank dieses Ansatzes waren die resultierenden Bilder frei von Restaberrationen, sodass die Positionen und Phasen der Atome im Magnetfeld leicht erkennbar waren.
Das Team nutzte diese beiden Innovationen, um Elektronenholographiemessungen an Proben von Ba2FeMoO6 durchzuführen, einem geschichteten kristallinen Material, in dem benachbarte Atomschichten unterschiedliche Magnetfelder aufweisen.
Durch den Vergleich ihrer experimentellen Ergebnisse mit Simulationen bestätigten sie, dass sie den zuvor aufgestellten Rekord übertroffen hatten, da es ihnen gelang, die Magnetfelder von Ba2FeMoO6 mit einer beispiellosen Auflösung von 0,47 nm zu beobachten.
„Dieses Ergebnis öffnet Türen für direkte Beobachtungen der magnetischen Gitter in bestimmten Bereichen, wie etwa Schnittstellen und Korngrenzen, in vielen Materialien und Geräten“, sagte Tanigaki.
„Unsere Studie stellt den ersten Schritt zur Untersuchung vieler verborgener Phänomene dar, deren Existenz durch Elektronenspinkonfigurationen in magnetischen Materialien enthüllt werden kann.“
Das Team erwartet, dass ihre bemerkenswerte Leistung zur Lösung vieler wissenschaftlicher und technologischer Herausforderungen beitragen wird.
„Unser holografisches Elektronenmikroskop mit atomarer Auflösung wird von verschiedenen Parteien genutzt und trägt zu Fortschritten in einer Vielzahl von Bereichen bei, von der Grundlagenphysik bis hin zu Geräten der nächsten Generation. Letztendlich würde dies den Weg für die Verwirklichung einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft ebnen, indem Hochleistungsmagnete und hochfunktionelle Materialien entwickelt werden, die für die Dekarbonisierung und Energiesparmaßnahmen von entscheidender Bedeutung sind“, so Tanigaki abschließend.
Mehr Informationen:
Toshiaki Tanigaki et al, Elektronenholographie-Beobachtung einzelner ferrimagnetischer Gitterebenen, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07673-w