用世界上第一个原子分辨率电子显微镜抓住了磁力的起源 ~加速磁铁、半导体、量子技术等最先进材质的研究开发~

令和4年2月1 0日 科技振兴机构( JST ) 东京大学 日本电子株式会社 用世界上第一个原子分辨率电子显微镜抓住了磁力的起源~加速磁铁、半导体、量子技术等最先进材质的研究开发~

重点 可以说是磁力起源的原子周围产生的磁场的直接观察极其困难。 利用新开发的无原子分辨率磁场电子显微镜，成功地直接观察到了原子磁场。 期待这次的测量技术将有力地推进物质显示的磁性的阐明等基础研究，以及磁铁、钢铁、半导体器件、量子技术等最先进的材料研究开发。在JST尖端测量分析技术机器开发程序方面，东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构柴田直哉机构长教授和日本电子株式会社EM事业单元河野祐二专家等的联合开发小组使用新开发的无原子分辨率磁场电子显微镜( MARS )注1 )，开发了作为磁铁(磁力)起源的原子磁场 。该团队于2012年首次成功进行了原子内部的电场观察，但原子所具有的磁场与电场相比极弱，其观察是电子显微镜开发以来的未踏技术。 本成果是改写显微镜开发历史的划时代成果。电子显微镜是目前使用的所有显微镜中空间分辨率最高的显微镜。 但是，为了达到能够直接观察原子程度的超高分辨率，需要将试样放入极强的透镜磁场中进行观察， 多年来一直无法对受到该镜头磁场影响的磁铁和钢铁材料等磁性体进行原子观察。 但是，2019年本联合开发团队成功开发了全新结构的透镜，实现了不受透镜磁场影响的磁性材料的原子观察。 下一个目标是对可以说是磁铁(磁力)起源的原子的磁场观察，为此一直在进行技术开发。此次，通过在无原子分辨率磁场电子显微镜上搭载新开发的超高灵敏度高速检测器，成功观察了铁矿石一种赤铁矿结晶注3 )中铁原子周围的磁场。 本结果直接表明铁原子本身是微小的磁铁(原子磁铁)，同时从原子水平上阐明了赤铁矿所显示的磁性(反强磁性注4 )的起源。 该测量方法有望成为使磁铁、钢铁、半导体器件、量子技术等尖端材质研究开发取得长足进步的划时代的测量技术。本研究是与澳大利亚莫纳什大学共同进行的。 本研究成果将于2022年2月10日(周四) (日本时间)在英国科学杂志《Nature》的在线版上公开。 本开发成果通过以下业务开发课题获得。名:研究成果展开事业(尖端测量分析技术机器开发程序)机器开发类型事业开发课题:“原子分辨率·无磁场电子显微镜的开发”( JPMJSN14A1) 小组组长:柴田直哉(东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构机构长教授)副领队:河野祐二(日本电子株式会社EM事业单元专员) 开发时间:平成26~令和2年度负责开发总结:森田清三(大阪大学名誉教授) JST在该程序中，为了满足最先进的研究和制造现场的需求，将推进有助于未来创造性研发的尖端测量分析技术机器及其周边系统的研究开发。 在上述研究课题中，开发了打破以往常识的、能够在无磁场下进行原子分辨率观察的电子显微镜，其目标是在先进磁性材料、磁存储器、自旋电子学器件、自旋有序结构等超高分辨率磁性结构分析方面进行创新。

<研究背景和经过> 显微镜开发的历史是人类追求智力好奇心的“想知道、直接看到极微的世界”的历史。 1931年实现的电子显微镜，正如文字所示，是使用电子观察极微世界的显微镜，现在的世界最高性能是东京大学和日本电子株式会社的共同团队于2017年达成的40.5皮米(皮科为1兆分之一)。 这意味着能分辨出比氢原子半径( 53皮米)小的东西。 使用光的光学显微镜将光学玻璃作为透镜来获得物体的放大像，而电子显微镜将强大的磁场用于透镜。 当电子入射到磁场中时，电子受到洛伦兹力的作用而弯曲，通过像透镜一样在试样附近作用，使该现象扩大像。 使用该强磁场的物镜的性能决定了电子显微镜的性能，即空间分辨率。 在以往的电子显微镜中，由于物镜的结构，必须将试样插入强磁场中才能观察到原子。 也就是说，为了实现原子分辨率，需要使试样始终暴露在强磁场中。 如果是没有磁性的试样就没有问题，但在观察磁铁、钢铁、磁头、磁存储器、自旋设备、量子材质等具有磁性的材料和设备时，透镜的强磁场和试样的磁性会强烈相互作用，原来的结构会发生较大变化或破坏 也可以在不破坏结构的程度上减弱物镜的磁场进行观察，但这种情况下分辨率会大幅恶化，无法观察原子。 也就是说，磁性材料的原子分辨率观察是电子显微镜领域多年来的难题。 针对这个难题，柴田直哉教授等东大集团和日本电子株式会社的联合开发团队从2014年开始在JST尖端测量程序中挑战了新的电子显微镜开发。 而且，2019年带来了一个解决方案。 开发出可以将试料室保持在无磁场(无磁场)环境中的新物镜，通过安装该透镜的电子显微镜，在世界上首次证实了在无磁场环境中的原子分辨率观察( 2019年5月24日新闻稿) (注1 )。 由于该技术的实现，人们对迄今为止被认为不可能的原子级磁场观察的期待提高了。 所谓磁铁(磁力)的起源，最终可以追溯到原子本身是磁铁(原子磁铁)，在该原子的周围应该会产生磁场。 这简直让人联想到地球的地磁(图1 )。 如果能直接观察这个原子的磁场，就有望从原子水平上理解和控制物质材料磁性表达的起源。 但是，由于原子的磁场与入射电子的相互作用极其微弱，理论上可以预想到，即使在无磁场环境中实现了原子分辨率观察，其检测也极其困难。

<研究背景和经过> 显微镜开发的历史是人类追求智力好奇心的“想知道、直接看到极微的世界”的历史。 1931年实现的电子显微镜，正如文字所示，是使用电子观察极微世界的显微镜，现在的世界最高性能是东京大学和日本电子株式会社的共同团队于2017年达成的40.5皮米(皮科为1兆分之一)。 这意味着能分辨出比氢原子半径( 53皮米)小的东西。 使用光的光学显微镜将光学玻璃作为透镜来获得物体的放大像，而电子显微镜将强大的磁场用于透镜。 当电子入射到磁场中时，电子受到洛伦兹力的作用而弯曲，通过像透镜一样在试样附近作用，使该现象扩大像。 使用该强磁场的物镜的性能决定了电子显微镜的性能，即空间分辨率。 在以往的电子显微镜中，由于物镜的结构，必须将试样插入强磁场中才能观察到原子。 也就是说，为了实现原子分辨率，需要使试样始终暴露在强磁场中。 如果是没有磁性的试样就没有问题，但在观察磁铁、钢铁、磁头、磁存储器、自旋设备、量子材质等具有磁性的材料和设备时，透镜的强磁场和试样的磁性会强烈相互作用，原来的结构会发生较大变化或破坏 也可以在不破坏结构的程度上减弱物镜的磁场进行观察，但这种情况下分辨率会大幅恶化，无法观察原子。 也就是说，磁性材料的原子分辨率观察是电子显微镜领域多年来的难题。 针对这个难题，柴田直哉教授等东大集团和日本电子株式会社的联合开发团队从2014年开始在JST尖端测量程序中挑战了新的电子显微镜开发。 而且，2019年带来了一个解决方案。 开发出可以将试料室保持在无磁场(无磁场)环境中的新物镜，通过安装该透镜的电子显微镜，在世界上首次证实了在无磁场环境中的原子分辨率观察( 2019年5月24日新闻稿) (注1 )。 由于该技术的实现，人们对迄今为止被认为不可能的原子级磁场观察的期待提高了。 所谓磁铁(磁力)的起源，最终可以追溯到原子本身是磁铁(原子磁铁)，在该原子的周围应该会产生磁场。 这简直让人联想到地球的地磁(图1 )。 如果能直接观察这个原子的磁场，就有望从原子水平上理解和控制物质材料磁性表达的起源。 但是，由于原子的磁场与入射电子的相互作用极其微弱，理论上可以预想到，即使在无磁场环境中实现了原子分辨率观察，其检测也极其困难。

<研究内容> 这次，柴田直哉教授、关岳人助教、几原雄一教授东大集团和日本电子株式会社河野祐二专家的联合研究小组组成了原子分辨率自由磁场电子显微镜( MARS ) :磁场自由动态解决方案( magnetic-field-free atomic resolution stem )配备新开发的超高灵敏度高速分割式检测器(图2 )，并运用计算机图像处理技术，检测赤铁矿(α-Fe2 O 3)晶体内部的铁( ) 磁场观察使用了柴田教授等人开发的使用扫描透射电子显微镜法( STEM )注5 )的局部电磁场测量方法——原子分辨率微分相位对比度( DPC )法注6 )。 图3显示赤铁矿晶体的外观及其原子结构的示意图。 该晶体具有Fe原子层和氧原子层相互交错层叠的原子结构。 该晶体在室温下显示反铁磁性，被认为具有Fe原子的磁矩注7 )的方向(用箭头表示)相互交错排列的自旋注8 )结构。 使用通常的STEM法观察该晶体时，可以将Fe原子位置观察为明亮的亮点(图4(a ) )，但无法捕捉磁矩的信息。 其次，用DPC法挑战了该晶体内部磁场的可视化。 DPC法利用来自电子显微镜的入射电子因电场和磁场而偏转的现象，将电磁场可视化(图4(b ) )。 从该像中，所有的Fe原子显示出相同的对比度(明暗之差)，无法观察到与磁矩对应的磁场。 这不仅是因为原子内部存在磁场，还因为原子核和电子云之间存在强电场(图5 )。 也就是说，由于在原子附近电场和磁场共存，所以入射电子与原子内部的电场非常强地相互作用(偏转)，与磁场的相互作用变得非常弱。 理论上也预测原子磁场的贡献只占整体的1 %左右。 因此，为了使原子的磁场可视化，必须以某种方式从DPC像中减去电场产生的贡献，仅提取磁场的信号。 因此，本研究开发了特殊的图像处理技术，进行了通过减去DPC像中的具有相反方向的磁矩的Fe原子彼此的信号来抵消电场产生的贡献，仅提取磁场产生的信号的图像处理(图4(c ) )。 如果原子没有磁场的话，应该什么对比度都没有，但是可以清楚地观察到Fe的每个原子层对比度相互不同地反平行变化的情况。 该磁场分布与图3所示的假定磁矩排列的像模拟结果(图4(d ) )也非常一致，意味着可以直接观察到伴随反强磁性自旋排列的原子磁场。 这个结果直接表明了Fe原子本身是微观磁铁。 接着，将赤铁矿结晶冷却至约113开尔文注9(K )，进行了原子磁场观察。 众所周知，赤铁矿结晶冷却至260K以下时会引起自旋结构发生很大变化的莫林转移注10 )。 260K以下的Fe原子的磁矩方向如图6(a )所示。 和室温一样，形成反铁磁性的自旋排列，但Fe原子的磁矩方向旋转了90度。 将该试样冷却至113K，使用通常的STEM法观察了Fe原子(图6(b ) )。 从Fe原子的观察结果可知，即使冷却也保持着与室温相同的原子结构。 另一方面，该原子磁场像与室温的观察结果大不相同，观察到了纵向的条纹状对比度(图6(c ) )。 可以看出，该结果与假设低温磁结构的模拟结果(图6(d ) )也显示出良好的一致。 也就是说，该结果表明，可以将伴随莫林转移的自旋排列结构的变化作为原子的磁场变化进行实空间观察。。

<本研究的意义及今后的开展> 电子显微镜目前广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学等前沿基础研究领域，以及电子信息工程、半导体器件、医疗、创能节能等多种产业领域。 东京大学和日本电子株式会社融合产学知识，以电子显微镜领域的进一步发展和人才培养为目标，设立了东京大学日本电子产学合作室及新一代电子显微镜法社会合作讲座，进行了多年的共同研究和教育活动。 虽然是实现了每个原子直接观察的电子显微镜，但直接观察原子的磁场、即各原子的自旋排列的信息极其困难，是多年来的未踏技术。 这次的成果是通过产学强力合作，解决了迄今为止不可能实现的问题的划时代的成果。 此次研究证实了原子磁场的直接观察，并确立了该方法，今后将成为引领磁铁、钢铁材料、磁器件、磁存储器、磁性半导体、自旋电子学、拓扑材料等各种材质和器件研究开发的新测量方法 另外，本研究是在追求“想将极微的世界放大来看”的显微镜研究的历史上，记载了迄今为止看不见的原子的磁场观察这一大步的成果。 <研究支援> 本研究的一部分包括:日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金基础研究( s )“原子尺度局部磁场直接观察方法的开发及其在磁性材料界面研究中的应用(研究代表:柴田直哉)”、新学术领域研究(功能核心的材料科学:领域代表松永克志)“界面功能核心分析(研究代表:柴田直哉) 在特别推进研究“基于原子离子动力学超高分辨率直接观察的新材料创建(研究代表:几原雄一)”、JST战略性创造研究推进事业的先驱“超低电子剂量STEM法的开发和实空间原子分子排列结构分析(研究代表:关岳人)”的资助下进行。 另外，本研究是在东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构“新一代电子显微镜法社会合作讲座”、东京大学日本电子产学合作室、文部科学省纳米技术平台事业(东京大学微结构分析平台)的支持下实施的。

<参考图>

图1 (左)地球磁场(地磁)和(右)原子磁场的示意图 虽然尺度差异很大，但都产生了磁场。 红箭头表示磁矩的方向。

图2新开发的超高灵敏度高速分割型检测器 (左)原子分辨率无磁场电子显微镜外观 (中央)安装在电子显微镜下部的新型探测器 (右)分割为40个检测区域的检测面

 

图3赤铁矿(α-Fe2 O 3)晶体的外观和室温下的原子结构及Fe原子的磁矩排列(箭头)的示意图

图4赤铁矿(α-Fe2 O3 )晶体室温下的原子结构像和磁场像 ( a )普通原子分辨率STEM像。 Fe原子的位置可以作为明亮的亮点进行观察。 ( b ) DPC影像。 因为Fe原子的磁场极弱，所以只能观察到原子的电场。 从电场图像中得不到Fe原子的磁矩的信息。 ( c )对( b )的DPC像进行图像处理而得到的磁场像。 扣除了电场的对比度。 颜色对比度如图例所示表示磁场矢量的方向。 ( d )假设图3所示的磁结构的图像模拟结果。 与实验一致。 注)这些像是通过周期性组合单位结构的像来显示的。

图5原子内部电场分布和磁场分布的示意图 红色箭头表示电场，蓝色箭头表示磁场。

图6赤铁矿(α-Fe2 O 3)晶体低温( 113K )下的原子结构像和磁场像 ( a )原子结构模型。 箭头表示各Fe原子的磁矩方向。 ( b ) 113K处的原子分辨率STEM像。 ( c )对在113K取得的DPC像进行图像处理而得到的磁场像。 假设( d )~( a )所示的磁结构的像模拟结果。 注)这些像是通过周期性组合单位结构的像来显示的。

<用语解说> 注1 )原子分辨率无磁场电子显微镜( MARS ) 电子显微镜是将电子束入射到试样上，利用磁场透镜放大被试样透射散射的电子束，直接观察试样中的结构的装置。 现在也可以直接观察原子。 电子显微镜是利用电子波的性质突破光学显微镜的线源(可见光)带来的原理分辨率(约1微米)的极限的观察装置，是以最直接的形式应用和展开量子力学的恩惠的观察技术。 原子分辨率自由磁场电子显微镜( MARS )是2019年本开发团队开发的能够在自由磁场的环境中测量的电子显微镜。 详细内容请参照以下新闻稿。 开发颠覆88年常识的划时代电子显微镜( 2019年5月24日) https://www.jst.go.jp/pr/announce/2019 05 24/index.html 注2 )磁场 也称为磁场，是指产生磁性作用的空间或该空间的性质。 注3 )赤铁矿 铁矿石的一种，铁的氧化物(α-Fe2 O3 )。 也被称为红铁矿。 随温度表现出磁结构的相变。 在火星上也被发现，被认为是火星上有水的证据之一。 注4 )反铁磁性 指相邻原子的自旋排列成相互反向平行，整体上不具有自发磁化状态的物质的磁性。 注5 )扫描透射电子显微镜法( STEM ) 在试样上扫描收敛得很细的电子束，用被试样透射散射的电子束的强度直接观察试样中的结构的装置。 现在也可以直接观察原子。 注6 )微分相位对比度( DPC )法 利用入射到试样的电子束因其内部存在的电磁场而受到力，稍微改变轨道，从而在分割型检测器的各位置检测出的电子束强度产生差异，测量试样上各点的电磁场的方法。 其分辨率基本上由电子探针的大小决定，因此原理上是能够以原子分辨率进行电磁场观察的方法。 注7 )磁矩 表示磁偶极子磁性作用的量。 具有磁铁正极或负极的磁荷与两极间的距离之积的大小，且具有从负极朝向正极的方向的矢量。 注8 )旋转 本研究中指的是电子自旋。 方便地解释为电子自转，根据该旋转的方向具有相当于小棒磁铁的性质。 注9 )开尔文 将完全不依赖于水、因热而引起的分子运动消失的温度设为“绝对零度”，这在“开尔文温度”中也被称为“绝对温度”。 以水的“三重点”温度( 0.01℃)为273.16开尔文为基准。 注10 )莫林转移 赤铁矿在T=260K附近，发生自旋排列方向从面垂直方向(低温)向面内方向(高温)变化的磁相变。 这种相变称为莫林转变。

<论文标题> “在线空间可视化管理字段of an antiferromagnet” (反铁磁性体内在磁场的实际空间观察) 作者: Yuji Kohno，Takehito Seki，Scott David Findlay，Yuichi Ikuhara and NaoyaShibata 论文杂志: Nature DOI:10.1038/s41586-021-04254-z <咨询方式> <有关研究的事情> 柴田直哉 东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构组长教授 邮编〒113-8656东京都文京区弥生2-11-16 tel:[phone]传真: [phone] 电子邮件: Shi bata [ at ] sigma.t.u-Tokyo.AC.jp 关岳人 东京大学研究生院工学系研究科附属综合研究机构助教 邮编〒113-8656东京都文京区弥生2-11-16 tel:[phone]传真: [phone] 电子邮件: Seki [ at ] sigma.t.u-Tokyo.AC.jp <关于JST事业的事> 星润一 科技振兴机构产学合作拓展部研究支援组 邮编〒102-0076东京都千代田区五番町7k’s五号町 tel:[phone]传真: [phone] 电子邮件: sentan [ at ] jst.go.jp <新闻负责人> 科学技术振兴机构宣传科 邮编〒102-8666东京都千代田区四号町5番地3 tel:[phone]传真: [phone] 电子邮件: jst koho [ at ] jst.go.jp 东京大学研究生院工学系研究科宣传室 邮编〒113-8656东京都文京区本乡7-3-1 tel:[phone]传真: [phone] 电子邮件: kou Hou [ at ] pr.t.u-Tokyo.AC.jp 日本电子株式会社经营战略室 公司通讯室宣传品牌集团 tel:[phone]传真: [phone] 电子邮件: IR [ at ] jeol.co.jp