Магнитные свойства материалов научились измерять с атомарным разрешением

Z. Wang et al./ Nature Materials, 2018

Ученые разработали метод получения изображений с информацией о магнитных свойствах материалов с атомарным разрешением. Этот метод, основанный на спектроскопии энергетических потерь электронов, в частности, позволил определить магнитные свойства отдельных атомов двойного перовскита Sr2FeMoO6, пишут авторы исследования в Nature Materials.

Возможность напрямую из эксперимента получить информацию о магнитных свойствах отдельных атомов в магнитном материале очень привлекательна для физиков, потому что с помощью нее можно связать между собой заряд, спин и особенности кристаллической решетки, и точнее управлять физическими свойствами магнитных материалов. Но даже наиболее точные из современных методов позволяют получать значения тех или иных магнитных параметров либо исключительно для поверхностного атомного слоя, либо для сравнительно больших областей размером не меньше 10 нанометров, включающих большое количество атомов. В некоторых случаях этого недостаточно — например, для материалов, которые предлагают сейчас использовать для спинтроники, где на счету каждый отдельный спин.

Физики из Китая, Германии, Швеции и Японии под руководством Сяояня Чжуна (Xiaoyan Zhong) из Университета Цинхуа предложили для повышения точности картирования магнитных свойств материалов до атомарного уровня использовать сочетание методов спектроскопии характеристических потерь энергии электронами и просвечивающей электронной микроскопии с хроматической коррекцией аберрации. Первый метод позволяет измерить магнитный круговой дихроизм, а второй — фокусирует электронный пучок и увеличивает пространственное разрешение до одного атома.

В результате такого подхода можно определить магнитный и орбитальный момент с пространственным разрешением в один атомарный слой. Картина сигнала энергетических потерь записывается в таком методе для двух положений апертуры спектроскопа: положительного (оно соответствует, например, левой круговой поляризации рентгеновского пучка при исследовании магнитных свойств с помощью рентгена) и отрицательного (соответствующего правой поляризации). Вычитая один сигнал из другого, можно получить картину магнитного кругового дихроизма с атомарным разрешением, которая несет информацию о спиновом и орбитальном моментах каждого отдельного атома.

Предложенный метод авторы работы проверили на магнитном оксидом материале состава Sr2FeMoO6 со структурой двойного перовскита, который состоит из атомных слоев, включающих в себя элементы различных металлов.

Ученым удалось получить нужную информацию о магнитных свойствах атомов железа, стронция и молибдена в структуре исследованного материала, однозначно различив магнитные и немагнитные атомы. Для подтверждения достоверности полученных экспериментальных данных картину неупругого рассеяния электронов ученые смоделировали численно. Моделирование также помогло установить оптимальную толщину образцов для исследования предложенным методом, которая составила от 10 до 20 нанометров.

По словам авторов работы, предложенный ими метод можно использовать для очень широкого спектра различных спиновых конфигураций в магнитных материалах. В будущем это поможет точнее определить природу магнитных свойств различных материалов и точнее управлять ими.

Отметим, что методы электронной микроскопии, несмотря на то, что уже достигли атомарного разрешения, до сих продолжают активно развиваться. В частности, это касается получения трехмерных и видеоизображений, с помощью которых можно следить за колебанием электромагнитных полей, распространением дефектов в кристаллах или динамикой диффундирующих наночастиц.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.