研究人员对迄今为止最小尺度的磁行为进行成像

永磁体，在各地的冰箱上都可以找到的那种，之所以存在，是因为它们的组成原子表现为微型磁铁。它们对齐并结合形成更大的磁铁，这种现象称为铁磁性。在某些材料中，原子磁铁形成交替图案，因此材料没有净磁化。这种反铁磁体因其创造更快、更紧凑的用于计算的磁存储器件的潜力而受到关注。

实现反铁磁性器件的全部潜力将需要感测其原子间磁模式，这是尚未实现的。然而，由材料科学与工程教授Pinshane Huang领导的诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员已经朝着这一目标取得了进展。在《Ultramicroscopy》杂志上，他们报道了一种新型电子显微镜技术，该技术可以解析埃级(十分之一纳米)的磁行为，几乎是单个原子的磁行为。他们首次使用这种技术完全解析砷化铁中的反铁磁顺序。

“我们正在努力开发能够解决单个原子磁性行为的新技术，这项研究是重要的一步，”黄说。“以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一记录。

微观磁性通常使用扫描透射电子显微镜或STEM进行测量，其中电子束聚焦到材料中。光束和材料结构之间的电相互作用已被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。

虽然这种弱得多的相互作用足以确定铁磁体中发现的更远范围的磁序，但需要一种更精确的技术来观察反铁磁体中的原子间变化。

“在标准的低分辨率STEM实验中，磁相互作用可以理解为电子束的微小偏转，”博士后研究助理兼该研究的共同主要作者Kayla Nguyen说。“然而，在单个原子的尺度上，这张照片被打破了。磁相互作用在光束模式中产生复杂而微妙的信号，需要新的工具来分析和理解。

为了获得更高的分辨率，研究人员转向了一种称为四维STEM的更强大的方法。标准STEM技术记录光束与材料相互作用时的强度下降，但4D-STEM捕获完整的二维散射模式，因为电子束沿材料表面的两个方向扫描(用于四维数据)。这些数据使研究人员能够搜索完整的光束模式，寻找更复杂的原子反铁磁性信号。

分析的一个关键步骤是模拟砷化铁样品内的磁场，研究人员为此编写了一个名为Magnstem的软件包。研究生和共同主要作者Jeffrey Huang解释说，该封装允许他们添加特定于其材料的磁性效应，并研究它们对电子束图案的影响。

“Magnstem模拟使我们能够比较打开和关闭磁效应的电子模式，这在实际实验中很难做到，”他说。“我们看到磁信号和电信号的影响发生在图案的不同部分，可以单独提取。

通过将4D-STEM与Magnstem模拟相结合，研究人员将磁阶解析为6埃。虽然这不能解决单个原子尺度上的磁效应，但它允许他们解决砷化铁的反铁磁模式，该模式在12个原子的细胞中重复。

“我们的工作表明，在电子显微镜实验和模拟中几乎以原子分辨率解析小规模磁序是可能的，”Pinshane Huang说。“我们正在积极开发将基于这一结果的技术。

研究人员与材料科学与工程教授Daniel Shoemaker和André Schleife的研究小组合作。舒梅克的小组生产了砷化铁的样品，Schleife的小组对材料的磁性结构进行了模拟。