永久磁铁，如随处可见的冰箱上的磁铁，之所以存在是因为它们的组成原子作为微型磁铁发挥作用。

新的电子显微镜技术解决了以埃为尺度的磁行为问题

Pinshane Huang和她的研究人员已经在迄今为止最小的尺度上对磁行为进行了成像。图片来源：Heather Coit/Grainger Engineering。

这些原子在一种被称为铁磁性的现象中排列并整合成一个更大的磁体。然而，很少有材料表现出原子磁铁，形成交替的模式，导致没有净磁化。

这些反铁磁体因其创造更快、更紧凑的计算用磁性记忆设备的潜力而受到关注。

为了释放反铁磁性设备的全部潜力，关键是要了解它们的原子到原子的磁力模式，这一点尚未实现。然而，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一个科学家团队，在MatSE副教授和Ivan Racheff学院学者Pinshane Huang的领导下，已经朝着这个目标取得了重大进展。

在Ultramicroscopy杂志上，研究人员描述了一种新的电子显微镜技术，该技术有可能解决安斯特规模的磁性行为，安斯特是纳米的十分之一，几乎是单个原子的规模。他们使用这种方法首次完全解决了砷化铁中的反铁磁秩序。

我们正在努力开发能够解决单个原子的磁性行为的新技术，而这项研究是一个重要的步骤。在此之前，最好的技术已经达到了几纳米的分辨率。我们已经大大超过了这个记录。----伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校MatSE副教授Pinshane Huang

通常情况下，微观磁性是通过扫描透射电子显微镜（又称STEM）来量化的，其中电子束被聚焦在一种材料上。

在光束和材料结构之间发生的电相互作用已被显著地用于提供材料中单个原子的图像，但光束也与材料的磁性结构相互作用。

尽管这种弱得多的相互作用足以识别铁磁体中发现的长程磁秩序，但需要一种更精确的方法来注意反铁磁体中的原子到原子的变化。

在标准的、低分辨率的STEM实验中，磁相互作用可以理解为电子束的微小偏转。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究的共同负责人和MatSE博士后研究助理Kayla Nguyen

Nguyen补充说："不过，在单个原子的规模上，这种情况会被打破。磁相互作用在光束模式中产生了复杂而微妙的信号，这需要新的工具来分析和理解。"

为了实现更高的分辨率，科学家们改用了一种被称为四维STEM的高度强大的方法。标准的STEM方法记录了光束强度的下降，因为它与材料合作。

然而，4D-STEM在电子束扫描材料表面的两个方向时捕捉到了完整的二维散射模式--四维数据。

这些数据使科学家们能够为原子反铁磁性的高度复杂的信号寻找完整的光束模式。

模拟砷化铁样品内部的磁场被认为是分析的一个关键步骤，为此科学家们编写了一个被称为Magnstem的软件包。MatSE的研究生和共同主要作者Jeffrey Huang描述说，该软件包使他们能够添加对其材料的特殊磁效应，并研究它们对电子束模式的影响。

Nguyen说："Magnstem模拟使我们能够比较磁效应开启与关闭时的电子模式，这在实际实验中是很难做到的。我们看到，磁信号和电信号的影响发生在图案的不同部分，可以分别提取。"

4D-STEM与Magnstem模拟的整合帮助科学家解决了低至6埃的磁秩序。虽然这未能解决单个原子尺度上的磁效应，但它使他们能够解决砷化铁的反铁磁图案，该图案在12个原子的单元中重复。

我们的工作表明，在电子显微镜实验和模拟中解决小规模的磁秩序是可能的，几乎是在原子分辨率上。我们正在积极开发技术，将在这一成果的基础上更进一步。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校MatSE副教授Pinshane Huang

科学家们与Daniel Shoemaker和André Schleife的研究小组合作，他们都是MatSE的副教授。Shoemaker的小组制作了砷化铁的样品，Schleife的小组对材料的磁性结构进行了模拟。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室和伊利诺伊州材料研究科学和工程中心的财政支持，该中心通过国家科学基金会资助。

Nguyen得到了欧莱雅科学女性奖学金的协助。这项研究利用了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的材料研究实验室的电子显微镜设施。

参考资料

Nguyen, K. X., et al. (2023) Angstrom-scale imaging of magnetization in antiferromagnetic Fe₂As via 4D-STEM. Ultramicroscopy. doi.org/10.1016/j.ultramic.2023.113696.