הודות לרכישת תמונה מתקדמת וטכניקות תיקון סטייה אוטומטיות, הצליחו החוקרים למדוד שדות מגנטיים ב-Ba2FeMoO6 ברזולוציה פורצת דרך של 0.47 ננומטר לשיטה המאפשרת צפייה בדגימות לא אחידות. רזולוציה כה גבוהה היא קריטית כאשר צופים בתופעות מגנטיות המתרחשות בממשק בין חומרים. קרדיט: Toshiaki Tanigaki מ-Hitachi, Ltd.
טכניקות לרכישת תמונות ותיקון חוסר מיקוד מאפשרות כעת צפייה בשדות מגנטיים בקנה מידה אטומי ברזולוציה שלא נראתה עד כה.
צוות מחקר מיפן, הכולל מדענים מ-Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), אוניברסיטת קיושו, RIKEN ו-HREM Research Inc. (HREM), עשה פריצת דרך משמעותית בתצפית בשדות מגנטיים בהיקפים קטנים במיוחד. בשיתוף עם המכון הלאומי למדע וטכנולוגיה תעשייתית מתקדמת (AIST) והמכון הלאומי למדעי החומרים (NIMS), הצוות השתמש במיקרוסקופ האלקטרונים ההולוגרפי ברזולוציה אטומית של Hitachi, יחד עם טכנולוגיית רכישת תמונה חדשה שפותחה ואלגוריתמי תיקון דה-פוקוס, כדי דמיינו את השדות המגנטיים של שכבות אטומיות בודדות בתוך מוצק גבישי.
התקדמות רבות במכשירים אלקטרוניים, קטליזה, תחבורה וייצור אנרגיה התאפשרה על ידי פיתוח ואימוץ של חומרים בעלי ביצועים גבוהים עם מאפיינים מותאמים. סידור האטומים והתנהגות האלקטרונים הם בין הגורמים הקריטיים ביותר שמכתיבים את תכונותיו של חומר גבישי. יש לציין כי הכיוון והחוזק של שדות מגנטיים ממש בממשק בין חומרים שונים או שכבות אטומיות חשובים במיוחד, ולעתים קרובות עוזרים להסביר תופעות פיזיקליות מוזרות רבות. לפני פריצת הדרך הזו, הרזולוציה המקסימלית שבה ניתן היה לצפות בשדה המגנטי של שכבות אטומיות הוגבלה לסביבות 0.67 ננומטר, שיא שנקבע על ידי היטאצ'י באמצעות מיקרוסקופ האלקטרונים ההולוגרפי החדיש שלהם ב-2017.
שיפורים בטכנולוגיה מיקרוסקופית
כעת, הודות לפרויקט שיתופי גדול, חוקרים הצליחו לדחוף את הגבול הזה עוד יותר על ידי התייחסות לכמה מגבלות מרכזיות במיקרוסקופ האלקטרונים ההולוגרפי של Hitachi. הממצאים שלהם פורסמו בכתב העת טֶבַע.
החוקרים פיתחו לראשונה מערכת לאוטומציה של השליטה והכוונון של המכשיר במהלך רכישת הנתונים, מה שמאיץ משמעותית את תהליך ההדמיה למהירות של 10,000 תמונות במשך 8.5 שעות. לאחר מכן, על ידי ביצוע פעולות מיצוע ספציפיות עם תמונות אלו, הם מזערו את הרעש כדי לקבל תמונות הרבה יותר ברורות המכילות נתוני שדה חשמלי ושדה מגנטי ברורים.
האתגר שנדון לאחר מכן היה התיקון לחוסר מיקוד דקה, שגרם לסטיות בתמונות הנרכשות. "הרעיון של תיקון לאחר לכידת תמונה של סטיות שהשתמשנו בו הוא בדיוק זהה לזה שהניע את ד"ר דניס גאבור להמציא הולוגרפיה אלקטרונית ב-1948. במילים אחרות, המתודולוגיה כבר הייתה מבוססת תיאורטית. עם זאת, עד כה, לא היו יישומים טכנולוגיים לתיקון אוטומטי כזה בהולוגרפיה אלקטרונית מחוץ לציר", מסביר החוקר הראשי טושיאקי טניגאקי מ-Hitachi, Ltd. הטכניקה שיושמה הצליחה לתקן לחוסר מיקוד עקב שינויי מיקוד קטנים על ידי ניתוח משוחזר. גלי אלקטרונים. הודות לגישה זו, התמונות שהתקבלו היו נקיות מאברציות שיוריות, מה שהפך את המיקומים והשלבים של האטומים להבחין בקלות באמצעות שדה מגנטי.
תצפיות פורצות דרך וצפי עתידי
תוך מינוף שני החידושים הללו, הצוות ביצע מדידות הולוגרפיה אלקטרונים על דגימות של Ba2FeMoO6, חומר גבישי שכבות שבו שכבות אטומיות סמוכות יש שדות מגנטיים מובהקים. כשהשוו את תוצאות הניסוי שלהם עם סימולציות, הם אישרו שהם עברו את השיא שנקבע קודם לכן, והצליחו לצפות בשדות המגנטיים של Ba2FeMoO6 ברזולוציה חסרת תקדים של 0.47 ננומטר. "תוצאה זו פותחת דלתות לתצפיות ישירות על הסריג המגנטי באזורים ספציפיים, כמו ממשקים וגבולות גרגרים, בחומרים והתקנים רבים", מעיר טניגאקי נרגש. "המחקר שלנו מסמן את הצעד הראשון לקראת חקירת תופעות מצועפות רבות שאת קיומן ניתן לחשוף על ידי תצורות ספין אלקטרונים בחומרים מגנטיים."
הצוות מצפה שההישג המדהים שלהם יעזור לפתור אתגרים מדעיים וטכנולוגיים רבים. "מיקרוסקופ האלקטרונים ההולוגרפי שלנו ברזולוציה אטומית ישמש גורמים שונים, שיתרום להתקדמות במגוון רחב של תחומים, החל מפיזיקה בסיסית ועד למכשירים מהדור הבא. בסופו של דבר, זה יסלול את הדרך להגשמת חברה ניטרלית פחמן באמצעות פיתוח מגנטים בעלי ביצועים גבוהים וחומרים פונקציונליים ביותר החיוניים למאמצי שחרור פחמן וחיסכון באנרגיה", מסכם Tanigaki בעל תובנות, עם עיניים לעתיד .
רק הזמן יגיד אילו תגליות מרגשות וקפיצות טכנולוגיות מחכות לנו לאור התובנות שנאספו באמצעות מיקרוסקופ הולוגרפיה אלקטרונית משופרת, אז שימו לב!
פיתוח מיקרוסקופ האלקטרונים ברזולוציה אטומית נתמך על ידי מענק מהאגודה היפנית לקידום המדע (JSPS) באמצעות "תוכנית המימון למו"פ חדשני מוביל בעולם במדע וטכנולוגיה (תוכנית FIRST)" שיזמה המועצה למדע, טכנולוגיה וחדשנות (CSTI). יתר על כן, חלק ממחקר זה נתמך גם על ידי תוכנית "מחקר הליבה למדע וטכנולוגיה אבולוציונית (CREST)" (JPMJCR1664) של JST.
