世界上首次使用意昂体育原子分辨率全息术电子显微镜观测到单个晶格平面的磁场

东京，2024年7月4日---意昂体育（TSE:6501，意昂体育）、九州大学、日本理工大学和HREM研究股份有限公司（HREM）今天宣布，世界上首次观测到单个晶格平面的磁场。*1 这是通过使用意昂体育的原子分辨率全息术电子显微镜和一种能够对具有不均匀结构和成分的样品（以下称为非均匀样品）进行磁场观察的方法实现的*2 例如，与美国国家先进工业科学技术研究所（AIST）和美国国家材料科学研究所（NIMS）合作，迄今为止难以观察到的磁性多层膜。

通过开发一种具有更高电子全息精度和自动图像捕获后焦点校正的技术来实现观察。通过这种方式，现在可以在材料（界面）之间的局部边界处观察原子层水平的磁场，这极大地影响了包括非均匀样品在内的材料的物理特性和电子设备的特性。未来，我们将通过阐明磁现象为基础科学的进步做出贡献*3 通过开发用于电气化脱碳的高性能磁体和高功能材料，以及用于降低日常生活所需总能源使用量的节能设备，实现原子层水平的碳中和社会。

研究结果已于2024年7月4日（日本时间凌晨0点）在线发表在国际科学期刊《自然》上。*4

*1

原子是形成物体的最小稳定粒子。当原子以三维方式排列时，物体就形成了。物体中原子的二维排列称为“层”或“平面”。“晶格平面”是一种结构，其中原子在物体的二维平面上有序排列。它是一个重要因素，因为它决定了整体物质的特征。

*2

这里，非均匀样品不仅被定义为具有随机结构（如非晶）的样品，而且被定义为在周期性结构中具有不同结构和成分的样品。

*3

至于界面处独特磁场状态的例子，有Malozemoff的随机场模型，该模型将单个小区域的磁场视为随机模型，并在界面具有非有序排列的磁性原子层的情况下假设平均磁场；其中非磁性和磁性区域的原子层在每个原子层中具有磁场强度的变化并且不同于内部具有均匀状态的磁场。

*4

谷垣敏明、明石彻也、吉田隆浩、原田健彦、石冢和雄、一村正彦、三石和隆、富冈康、余秀珍、新藤大辅、东村吉典、村上和品田广之“单个铁磁晶格平面的电子全息术观察”，《自然》，2024年，doi:10.1038/41586-024-07673-w

研究背景

电子设备和电机用于各种应用，包括手机、个人电脑、汽车、火车和发电厂，为我们的日常生活提供支持。许多这些功能和性能是由原子的排列和电子的行为决定的，原子是形成材料的普通物质的最小单位。因此，为了开发新功能并提高性能，需要一种能够在原子水平上对物质进行超高分辨率观测的技术。自1966年以来，意昂体育一直在开发全息电子显微镜，作为直接观察极小区域电场和磁场的仪器，并于2014年在FIRST计划的支持下开发了原子分辨率全息电子显微镜（图2）。2017年，意昂体育和RIKEN实现了小于1nm的分辨率，*5 这使得能够对几个原子层进行磁场观测。*6 然而，为了实现更高的分辨率，在提高显微镜精度和校正捕获图像时发生的微小散焦方面存在问题。

现在，合作研究小组解决了这些问题，并开发了一种技术，用于实现对磁性多层薄膜等非均匀样品的单个晶格平面的磁场观测，这是迄今为止难以观测到的。

*5

纳米（nm）：1nm等于十亿分之一（10^-9)一米。

*6

2017年12月6日的新闻稿，“使用原子分辨率全息术电子显微镜成功观测到世界上最高分辨率为0.67nm的磁场”。

已开发技术的主要特征

（1） 提高电子全息术精度的大量图像自动采集技术

通过增加获取的图像数据的数量来提高电子全息术的精度。通过在数据采集过程中添加显微镜的自动控制和调谐，并基于2017年开发的用于从电子全息观测结果中精确分离电场数据和磁场数据的技术加快成像速度，开发了一种在约8.5小时内自动采集10000多张图像同时保持超高分辨率的技术。

（2） 自动校正微小散焦的数字像差校正技术

为了获得高分辨率，需要一种技术来校正观测数据中残留的微小散焦。像差的后图像捕获校正的想法与Dennis Gabor博士在1948年发明电子全息术的动机完全相同，并且在理论上是成立的。然而，迄今为止，还没有自动校正的技术。在这项研究中，通过开发一种原始算法成功地进行了自动校正，该算法通过应用该技术来减少实验数据中包含的噪声的影响，该技术通过分析从焦点序列重建的电子波来校正散焦，*7 电子全息术。

将开发的技术应用于原子分辨率全息电子显微镜观察磁性材料（Ba₂FeMoO₆ )在每个原子层中都有不同强度和方向的磁场，并成功地以0.47nm的分辨率观察了材料中单个晶格平面的磁场，将实验结果与模拟结果进行比较后得出结论，这是世界上最高的*8 用于观察不均匀样品的方法。

利用这项技术，可以详细观察器件和材料中界面结构与磁场之间的关系，并有望加速开发高功能材料和节能器件，以实现碳中和社会。此外，在日本文部科学省促进公众利用先进研究基础设施项目的支持下，原子分辨率全息电子显微镜将被各方用于从基础物理学到先进设备等广泛领域的科学技术进步。

*7

T.Tamura、Y.Kimura和Y.Takai“实时波场重建TEM系统的开发（I）：自动聚焦跟踪系统的结合”，《显微镜》，66172-181（2017）。

*8

根据意昂体育2024年7月的研究。在这里，磁场观测的分辨率被定义为可用于区分指向同一方向的磁场的最小距离。

RIKEN新兴物质科学中心强相关物理研究组组长Yoshinori Tokura博士的评论

这一结果是一种新的电子显微镜技术，可以直接观察晶格平面水平的磁场，并推动材料科学的发展。我相信，这项技术为创新性地建立电子原理和开发大幅抑制功耗的设备铺平了道路。

原子分辨率电子显微镜的开发得到了日本科学促进会（JSPS）通过科学、技术和创新委员会（CSTI）发起的“世界领先的科学技术创新研发资助计划（FIRST计划）”的资助。此外，这项研究的一部分还得到了JST“进化科学与技术核心研究（CREST）”计划（JPMJCR1664）的支持。

意昂体育原子分辨率全息电子显微镜介绍

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