清華材料學(xué)院朱靜課題組在透射電鏡的電子磁手性二向色性技術(shù)（EMCD）研究中取得進(jìn)展
5月12日，清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜院士課題組在《自然通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了題為 “基于透射電子的面內(nèi)EMCD技術(shù)實現(xiàn)材料本征EMCD磁信號測量”（“An in-plane magnetic chiral dichroism approach for measurement of intrinsic magnetic signals using transmitted electrons”）的研究成果，將EMCD技術(shù)磁性測量從平行于電子束方向拓寬到了垂直于電子束方向，打破了傳統(tǒng)EMCD技術(shù)單一方向磁性測量的局限性，實現(xiàn)了試樣的面內(nèi)EMCD信號測量，得到了材料本征磁狀態(tài)下的磁信號。?
在透射電子顯微鏡中，實現(xiàn)納米尺度上定量磁參數(shù)的測量一直是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。2006年，電子磁手性二向色性技術(shù)（EMCD，Electron Magnetic Chiral Dichroism）的發(fā)明，實現(xiàn)了利用透射電子進(jìn)行材料磁性的測量，成為了透射電鏡中一種新的磁性表征手段。然而，傳統(tǒng)的EMCD技術(shù)只能夠測量單一方向（沿著電子束方向，即試樣的面外方向）的磁信號，并且得到的也是材料飽和磁化狀態(tài)下的磁參數(shù)，不能實現(xiàn)材料本征磁性質(zhì)的測量，具有一定的局限性。
圖 1 傳統(tǒng)EMCD技術(shù)與面內(nèi)EMCD技術(shù)的對比
（a）傳統(tǒng)EMCD技術(shù)只能夠測量平行于電子束方向的磁信號，并且樣品通常處于飽和磁化狀態(tài)（b）面內(nèi)EMCD技術(shù)工作在Lorentz模式下，樣品處于本征磁化狀態(tài)
該工作從EMCD信號產(chǎn)生的基本原理出發(fā)，指出EMCD技術(shù)測量磁信號的方向是由電子的動量轉(zhuǎn)移決定的，選擇不同方向的動量轉(zhuǎn)移就能夠?qū)崿F(xiàn)不同方向的EMCD信號測量。通過計算模擬，首先從理論上證明了實驗測試獲得試樣面內(nèi)方向EMCD信號的可能性。并且結(jié)合模擬結(jié)果，設(shè)計出了新的衍射幾何來分離不同方向的EMCD信號。在實驗中以典型的金屬單質(zhì) Co為例，在透射電鏡的Lorentz模式下，使樣品處于本征磁狀態(tài)，首次從實驗上驗證了面內(nèi)EMCD技術(shù)的可行性，并且實現(xiàn)了本征狀態(tài)下EMCD信號的探測。該研究成果有力地推進(jìn)了EMCD技術(shù)的發(fā)展，被國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以u價為“做出了世界一流的研究成果”和“Your research group is a powerful group in the world”。
圖 2 面內(nèi)EMCD技術(shù)的實驗結(jié)果
（a-c）Lorentz模式，不同離焦量下Co納米片中磁疇壁襯度的變化，（c）中domain1和domain2是用于面內(nèi)EMCD技術(shù)測量的兩個磁化方向相反的磁疇，磁化方向由黑色箭頭標(biāo)出；（d）利用Lorentz技術(shù)得到的（a）中紅色方框區(qū)域內(nèi)的磁化矢量分布；（e）理論模擬得到的面內(nèi)EMCD信號在衍射平面上的分布；（f-g）Lorentz模式下在特定衍射幾何下測量得到的domain1和domain2的面內(nèi)EMCD信號；
該論文是第一作者為材料學(xué)院博士生宋東升，通訊作者為朱靜院士。參與該工作的還有德國于利希研究中心的Rafal Dunin-Borkowski教授，李子安博士，Amir Tavabi博士和Andras Kovacs博士，瑞典烏普薩拉大學(xué)Jan Rusz博士，試樣由德國馬普所的Gunther?Richter教授和黃文婷博士提供。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和973項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/ncomms15348
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