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清华材料学院朱静课题组在透射电镜的电子磁手性二向色性技术(EMCD)研究中取得进展

5月12日,龙虎押注技巧稳赢朱静院士课题组在《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了题为 “基于透射电子的面内EMCD技术实现材料本征EMCD磁信号测量”(“An in-plane magnetic chiral dichroism approach for measurement of intrinsic magnetic signals using transmitted electrons”)的研究成果,将EMCD技术磁性测量从平行于电子束方向拓宽到了垂直于电子束方向,打破了传统EMCD技术单一方向磁性测量的局限性,实现了试样的面内EMCD信号测量,得到了材料本征磁状态下的磁信号。 


在透射电子显微镜中,实现纳米尺度上定量磁参数的测量一直是一个具有挑战性的难题。2006年,电子磁手性二向色性技术(EMCD,Electron Magnetic Chiral Dichroism)的发明,实现了利用透射电子进行材料磁性的测量,成为了透射电镜中一种新的磁性表征手段。然而,传统的EMCD技术只能够测量单一方向(沿着电子束方向,即试样的面外方向)的磁信号,并且得到的也是材料饱和磁化状态下的磁参数,不能实现材料本征磁性质的测量,具有一定的局限性。

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图 1 传统EMCD技术与面内EMCD技术的对比

(a)传统EMCD技术只能够测量平行于电子束方向的磁信号,并且样品通常处于饱和磁化状态(b)面内EMCD技术工作在Lorentz模式下,样品处于本征磁化状态


该工作从EMCD信号产生的基本原理出发,指出EMCD技术测量磁信号的方向是由电子的动量转移决定的,选择不同方向的动量转移就能够实现不同方向的EMCD信号测量。通过计算模拟,首先从理论上证明了实验测试获得试样面内方向EMCD信号的可能性。并且结合模拟结果,设计出了新的衍射几何来分离不同方向的EMCD信号。在实验中以典型的金属单质 Co为例,在透射电镜的Lorentz模式下,使样品处于本征磁状态,首次从实验上验证了面内EMCD技术的可行性,并且实现了本征状态下EMCD信号的探测。该研究成果有力地推进了EMCD技术的发展,被国内外相关领域专家评价为“做出了世界一流的研究成果”和“Your research group is a powerful group in the world”。

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图 2 面内EMCD技术的实验结果

(a-c)Lorentz模式,不同离焦量下Co纳米片中磁畴壁衬度的变化,(c)中domain1和domain2是用于面内EMCD技术测量的两个磁化方向相反的磁畴,磁化方向由黑色箭头标出;(d)利用Lorentz技术得到的(a)中红色方框区域内的磁化矢量分布;(e)理论模拟得到的面内EMCD信号在衍射平面上的分布;(f-g)Lorentz模式下在特定衍射几何下测量得到的domain1和domain2的面内EMCD信号;


该论文是第一作者为材料学院博士生宋东升,通讯作者为朱静院士。参与该工作的还有德国于利希研究中心的Rafal Dunin-Borkowski教授,李子安博士,Amir Tavabi博士和Andras Kovacs博士,瑞典乌普萨拉大学Jan Rusz博士,试样由德国马普所的Gunther Richter教授和黄文婷博士提供。


该研究工作得到了国家自然科学基金和973项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/ncomms15348


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