出於對裸眼觀察不到的物質的好奇心，研究人員開發了各種顯微鏡。尤其是電子顯微鏡，擁有可以看清每個原子的最高解析度，但此前一直以爲無法觀察到每個原子的磁場。東京大學研究生院工學系研究科的柴田直哉教授和關岳人助教與日本電子公司EM業務部的專家河野祐二等人組成的聯合開發團隊，利用新開發的原子解析度無磁場電子顯微鏡（MARS），全球首次成功地直接觀察到了作爲磁鐵起源的原子磁場。這是一項會改寫顯微鏡開發歷史的劃時代成果。柴田教授表示：「開發了將近10年，終於抓住了磁結構的一端。磁結構快速變化的狀態發生在低溫區。今後還將觀察超導出現的瞬間等。」相關成果已線上發佈於Nature。
取得了改寫顯微鏡歷史的成果——新開發的原子解析度無磁場電子顯微鏡與東京大學研究生院工學系研究科的柴田直哉教授（供圖：東京大學）
次鐵磁性材料中的Fe原子的磁矩方向。在室溫下橫向排列（左），在113K的溫度下磁矩變爲縱向排列（右）（供圖：東京大學）
目前電子顯微鏡的全球最高性能是東京大學與日本電子的聯合研究團隊2017年實施的40.5皮米，可以分辨比氫原子的半徑（53皮米）還小的物質。這種原子級解析度是透過用強磁場透鏡聚集電子束實施的。因此，在磁記憶體和自旋器件等磁性器件中，透鏡的強磁場會與樣本的磁性發生強烈的相輔作用，導致原有結構大大改變或遭到破壞。但如果將透鏡的磁場弱化到不破壞結構的程度進行觀察，解析度就會惡化，無法觀察原子。
針對這個難題，聯合開發團隊2019年透過在樣本室的上下方設置物鏡徹底消除施加給樣本的磁場，全球首次證明可在無磁場環境下以原子解析度進行觀察。「在此之前主要透過校準像差來提高解析度，因此基本沒人想過要這樣做，但我覺得應該可以這樣做，於是與日本電子公司的優秀員工合作，使之成爲了現實。」（柴田）。
磁性材料是由不同磁疇（擁有一定磁場結構的區域）組合形成的，但一直不清楚作爲其界面的磁疇壁形成了什麼樣的磁場結構。如果能瞭解這一點，就有望加速高性能、高效率的磁性材料開發，從而減量整個社會的能源消耗。
爲此，需要以單個原子的解析度觀察磁場。雖然已經形成無磁場觀察環境，但單個原子的磁場非常小，如果利用以往的偵檢器和檢測方法，訊號會被噪音淹沒。
因此，此次爲原子解析度無磁場電子顯微鏡MARS（Magnetic-field-free Atomic Resolution STEM）配備新開發的超高靈敏度高速分割型偵檢器，並採用電腦影像處理技術，試着觀察了赤鐵礦（α-Fe2O3）晶活體內部的鐵原子的磁場。磁場觀察採用局部電磁場測量法——原子解析度微分相對比（DPC）法（使用柴田教授等人開發的掃描穿透電子顯微術（STEM））。
赤鐵礦晶體具有Fe原子層與氧原子層交錯層疊的原子結構。在室溫下呈反鐵磁性，被認爲具有Fe原子的磁矩方向交錯排列的自旋結構。利用普通的STEM法觀察這種晶體時可以觀察到Fe原子，但無法捕捉到磁矩資訊。
DPC法利用電子顯微鏡的入射電子因電場和磁場而偏轉的現象使電磁場視覺化，但僅憑這種方法還無法觀察到磁場。這是因爲，原子内部不僅有磁場，原子核與電子雲之間還存在強電場，在高達99％的強電場的影響下，磁場導致的偏轉現象會被掩蓋。
爲使原子的磁場視覺化，開發團隊開發了特殊的影像處理技術，實施了透過減去DPC影像中擁有反方向磁矩的Fe原子之間的訊號來抵消電場的影響，僅提取磁場訊號的影像處理。「透過從結構資訊中減去電場影響對稱部分的影響，成功地只提取了磁場」（河野）。
在室溫和113克耳文的低溫下分別觀察赤鐵礦發現，在室溫下磁場沿着層存在，而在低溫下，磁場的方向被縱向層結構取代。這也與類比結果一致。「此次爲應答是否真的能看到磁場結構，使用了已預測到磁場結構的材料，接下來我們還想觀察次鐵磁性材料和磁疇壁等」（柴田）。
日本電子的大井泉社長表示：「作爲日本的企業，我們的使命是生產領先於世界其他國家的設備。在這種情況下，此次利用MARS取得了全球領先的成果。今後希望日本的大學能與產業界合作來開發各種應用。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
