2月5日，清華大學材料學院朱靜、鐘虓、于榮研究組在高空間分辨材料磁性表征方法取得重大進展，于國際頂級期刊《自然·材料》(Nature Materials)在線發表了題為“應用色差校正電子顯微學方法進行原子尺度磁圓二色譜成像”（Atomic scale imaging of magnetic circular dichroism by achromatic electron microscopy）的研究論文。該研究基于朱靜、鐘虓、于榮研究組之前所發展的定量電子磁圓二色譜（Electron Magnetic Circular Dichroism）技術和占位分辨電子磁圓二色譜技術，優化衍射動力學條件，應用色差校正透射電子顯微學技術，聯合德國于利希研究所、亞琛工業大學、瑞典烏普薩拉大學與日本筑波大學的合作者，在國際上首次通過實驗手段獲得了材料內部原子面分辨的磁圓二色譜，并基于實驗結果定量計算出每一層原子面的元素的軌道自旋磁矩比，該工作被選為《自然·材料》當期目錄圖片。
《自然·材料》當期目錄圖片:原子面分辨自旋探測示意圖。
磁性材料被廣泛應用于國民經濟和國家安全中的各個領域，信息科技的高速發展尤其對磁性材料的先進性能研發提出了迫切需求。實現自旋構型與材料結構的原子尺度協同定量表征，是理解、預測與調控磁性材料的物理性質的關鍵
近五十年以來，傳統的磁成像手段如中子衍射、X射線磁圓二色譜、電子全息等，成像分辨率達到微米或納米尺度，均無法實現原子分辨。實現自旋構型原子尺度成像，在當今材料科學基礎研究中具有重大的科學意義，在設計制造高密度、低功耗、快速的存儲器件、推進信息與通訊技術方面有廣闊的應用前景。
清華大學材料學院朱靜、鐘虓、于榮帶領幾代研究生王自強、宋東升、王澤朝等圍繞原子尺度自旋表征領域開展了長達十年的持續攻關。他們原創性地發展了定量電子磁圓二色譜技術，實現了利用透射電子具高空間分辨的占位分辨的磁參數測量及材料面內本征磁性測量等技術，解決了納米尺度上定量獲得材料磁結構信息的難題。在此基礎上，結合色差球差校正與空間分辨電子磁圓二色譜技術，突破性地實現逐層原子面的自旋構型成像，定量測量原子尺度的軌道自旋磁矩比，在原子尺度上同時測量材料的結構、成分與磁矩。該研究團隊在國際上首次成功地將自旋表征磁圓二色譜的分辨率從納米尺度推進到了原子尺度，將材料的軌道自旋磁矩分布磁信息與其原子構型、元素組成、化學鍵合等結構信息在原子層次上一一對應，如圖2所示，對于在原子尺度理解自旋、晶格、電荷、軌道等多個自由度的結構參量與材料磁性能之間的相互關聯有重要意義。電子磁圓二色譜技術自2006年誕生以來，由于其實驗技術和理論解釋的復雜性與挑戰性，十多年來國際范圍內僅有有限的幾個研究組堅持這一方向的研究，而北京電子顯微鏡中心經過幾代人的努力，在該領域得到了穩健的、飛速的發展，目前已受到國內外學術界的普遍關注。原子尺度磁圓二色譜成像工作于2018年2月5日被國際頂級的材料科學雜志《自然·材料》在線發表。
圖2. 原子尺度材料結構-成分-磁矩的協同定量測量。
清華大學材料學院副研究員鐘虓為本文的通訊作者，他的清華大學博士學位論文（2001-2006）就是利用電子能量損失譜方法研究Ni3Fe的電子結構，掌握了電子能量損失譜的基本理論知識和實驗技能；博士后（2006-2010）在美國阿貢國家實驗室學習和應用美國消像差電子顯微鏡項目中裝有原型色差校正器的電子顯微鏡，2010年回清華后加入朱靜的電子磁圓二色譜研究課題組。清華大學材料學院2015級碩士研究生王澤朝為本文的第一作者。合作者包括清華大學材料學院朱靜教授、于榮教授、碩士研究生江翰博同學，德國于利希研究中心（提供了世界上僅有1臺的50-300千伏色差球差校正電子顯微鏡支持）的阿米爾·塔瓦比（Amir Tavabi）博士、金磊博士、拉法爾·杜寧-波科夫斯基（Rafal Dunin-Borkowski）教授和亞琛工業大學的約阿希姆·邁爾（Joachim Mayer）教授，瑞典烏普薩拉大學的楊·如施（Ján Rusz） 博士與德米特里·秋瓊尼科夫（Dmitry Tyutyunnikov）博士，日本筑波大學的守有·浩（Yutaka Moritomo）教授。該課題是在國家重點研發計劃、國家自然科學基金委，科技部973計劃、清華大學自主科研計劃、國家重大科學儀器設備開發專項、清華大學亞琛工業大學研究生交流獎學金等經費的支持下完成的，得到了北京電子顯微鏡中心的設備和各種資源的支持。
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