清華新聞網(wǎng)2月26日電 對固體中的磁場分布進行成像，即磁成像，是研究磁性與超導現(xiàn)象的重要手段，廣泛應用于磁性材料、自旋電子學、超導物理與技術等領域。晶格分辨是磁成像的分水嶺。以高能電子作為光源的電子顯微鏡是高分辨成像的主要平臺。然而，由于磁場對高能電子波函數(shù)的相位的影響很小，顯微圖像中的磁信號非常微弱，導致磁成像的空間分辨率長期停留在納米尺度，難以進入晶格尺度。反鐵磁材料中的磁場以晶胞為周期振蕩，只有達到了晶格分辨才能對其磁場分布進行成像，因此一直是磁成像的難題。
近期，清華大學材料學院于榮教授團隊通過此前發(fā)展的自適應傳播因子疊層成像（APP）方法，精確測量了電子波函數(shù)的相位，實現(xiàn)了晶格分辨的反鐵磁成像。
研究團隊首先以典型的反鐵磁晶體α-Fe2O3為例，分析了靜電勢和磁矢勢對高能電子的相位貢獻。如圖1所示，磁相位和靜電相位在實空間和倒空間中的分布均不同，實空間中靜電相位峰值出現(xiàn)在Fe原子柱上，而磁相位的峰值出現(xiàn)Fe原子層之間；倒空間中，靜電相位和磁相位的周期不同，其衍射的分布也不同。這種可分離的相位分布是高分辨磁成像的基礎。然而，由于磁相位僅約靜電相位的1%，從總相位中提取磁相位需要很高的相位精度。疊層成像方法在引入自適應傳播因子后，進一步提高了相位測量的精度，使得高分辨磁相位提取成為可能。
圖1.靜電勢和磁矢勢對高能電子波函數(shù)的相位貢獻。其中（a）-（d）為實空間中相位分布，（e）-（h）為相位分布的傅里葉變換
高分辨反鐵磁成像的另一阻礙來自于透射電鏡薄膜樣品不可避免的表面損傷層。圖2給出了表面損傷層和晶體內(nèi)部的相位分布。由于靜電相位遠大于磁相位，即使很薄的表面損傷層，其靜電相位也會比晶體內(nèi)部的本征磁相位大一到兩個數(shù)量級。因此，只有將表面損傷層的靜電相位剝離，才能測量晶體內(nèi)部很弱的本征磁相位。
圖2.實驗樣品的表面不可避免存在空位和臺階等表面缺陷。（a）和（b）分別為樣品表面和內(nèi)部的相位像
圖3是通過APP方法提取反鐵磁相位的流程。首先是通過APP方法來獲取高能電子波函數(shù)的相位，而后去除表面層，僅用完整的中間層來分析本征磁相位。該方法突破了傳統(tǒng)磁成像技術只有納米尺度空間分辨率的限制，實現(xiàn)了晶格分辨的磁成像，將在磁性材料與器件、超導物理等領域產(chǎn)生廣泛應用。
圖3.從疊層成像的總相位中提取磁相位的流程圖。（a）4D數(shù)據(jù)采集示意圖；（b）疊層重構得到的不同深度片層的相位像；（c）被選取的中間片層的平均相位；（d）使用傅里葉濾波法實現(xiàn)的晶格分辨的反鐵磁成像
相關研究成果以“反鐵磁成像的疊層相位恢復方法”（Antiferromagnetic imaging via ptychographic phase retrieval）為題在線發(fā)表于《科學通報》（Science Bulletin）。
清華大學材料學院2019級博士生崔吉哲和2018級博士生沙浩治為論文共同第一作者，2021級博士生楊文峰為合作作者，于榮為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金基礎科學中心項目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.044
供稿：材料學院
編輯：李華山
審核：郭玲
