Visualización del origen de las fuerzas magnéticas mediante microscopía electrónica de resolución atómica
Acelerar la investigación y el desarrollo de materiales de última generación como imanes, semiconductores y tecnología cuántica
El equipo de desarrollo conjunto del profesor Shibata (de la Universidad de Tokio), JEOL Ltd. y la Universidad de Monash logró observar directamente un campo magnético atómico, el origen de los imanes (fuerza magnética), por primera vez en el mundo. La observación se llevó a cabo utilizando el recién desarrollado Magnetic-field-free Atomic-Resolution STEM (MARS). Este equipo ya había logrado observar el campo eléctrico dentro de los átomos por primera vez en 2012. Sin embargo, dado que los campos magnéticos en los átomos son extremadamente débiles en comparación con los campos eléctricos, la tecnología para observar los campos magnéticos no se había explorado desde el desarrollo de los microscopios electrónicos. Se trata de un logro que marcará una época y que reescribirá la historia del desarrollo de los microscopios.
La imagen de la estructura atómica (izquierda) y la correspondiente imagen del campo magnético (derecha). En la imagen de la estructura atómica, los átomos de Fe se visualizan como puntos brillantes. En la imagen del campo magnético, el contraste de colores indica la orientación y la intensidad del campo magnético. La rueda de colores del recuadro indica cómo el color y la sombra denotan la orientación y la intensidad del campo magnético en el mapa vectorial de colores. Los campos magnéticos antiparalelos en las capas atómicas de Fe adyacentes se observan claramente, visualizando el orden antiferromagnético en este cristal.
Naoya Shibata
Los microscopios electrónicos tienen la mayor resolución espacial entre todos los microscopios utilizados actualmente. Sin embargo, para conseguir una resolución ultra alta que permita observar directamente los átomos, tenemos que observar la muestra colocándola en un campo magnético de lente extremadamente fuerte. Por tanto, la observación atómica de materiales magnéticos que se ven fuertemente afectados por el campo magnético de la lente, como los imanes y los aceros, había sido imposible durante muchos años. Para este difícil problema, el equipo logró desarrollar una lente que tiene una estructura completamente nueva en 2019. Utilizando esta nueva lente, el equipo realizó la observación atómica de materiales magnéticos, que no se ve afectada por el campo magnético de la lente. El siguiente objetivo del equipo era observar los campos magnéticos de los átomos, que son el origen de los imanes (fuerza magnética), y continuaron con el desarrollo tecnológico para lograr el objetivo.
Esta vez, el equipo de desarrollo conjunto asumió el reto de observar los campos magnéticos de los átomos de hierro (Fe) en un cristal de hematita (α-Fe2O3) cargando el MARS con un detector de alta velocidad y alta sensibilidad recientemente desarrollado, y utilizando además la tecnología de procesamiento de imágenes por ordenador. Para observar los campos magnéticos, utilizaron el método de contraste de fase diferencial (DPC) a resolución atómica, que es un método de medición del campo electromagnético local de ultra alta resolución que utiliza un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM), desarrollado por el profesor Shibata et al. Los resultados demostraron directamente que los propios átomos de hierro son pequeños imanes (imán atómico). Los resultados también aclararon el origen del magnetismo (antiferromagnetismo) exhibido por la hematites a nivel atómico.
A partir de los resultados de la presente investigación, se demostró la observación del campo magnético atómico y se estableció un método de observación de los campos magnéticos atómicos. Se espera que este método se convierta en un nuevo método de medición en el futuro, que conducirá a la investigación y el desarrollo de diversos materiales y dispositivos magnéticos, como imanes, aceros, dispositivos magnéticos, memoria magnética, semiconductores magnéticos, espintrónica y materiales topológicos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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