Cientistas visualizam campos magnéticos em escala atômica com microscópio eletrônico holográfico

Uma equipe de pesquisa do Japão, incluindo cientistas da Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), Universidade de Kyushu, RIKEN e HREM Research Inc. (HREM), alcançou um grande avanço na observação de campos magnéticos em escalas inimaginavelmente pequenas.

Em colaboração com o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) e o Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS), a equipe usou o microscópio eletrônico de holografia de resolução atômica da Hitachi — com uma tecnologia de aquisição de imagem recém-desenvolvida e algoritmos de correção de desfoque — para visualizar os campos magnéticos de camadas atômicas individuais dentro de um sólido cristalino.

Muitos avanços em dispositivos eletrônicos, catálise, transporte e geração de energia foram possíveis pelo desenvolvimento e adoção de materiais de alto desempenho com características personalizadas. O arranjo de átomos e o comportamento de elétrons estão entre os fatores mais críticos que ditam as propriedades de um material cristalino.

Notavelmente, a orientação e a força dos campos magnéticos na interface entre diferentes materiais ou camadas atômicas são particularmente importantes e frequentemente ajudam a explicar muitos fenômenos físicos peculiares.

Antes dessa descoberta, a resolução máxima na qual o campo magnético das camadas atômicas podia ser observado era limitada a cerca de 0,67 nm, um recorde estabelecido pela Hitachi usando seu microscópio eletrônico holográfico de última geração em 2017.

Agora, graças a um grande projeto colaborativo, os pesquisadores conseguiram levar esse limite ainda mais longe, abordando algumas limitações importantes no microscópio eletrônico de holografia da Hitachi. Suas descobertas foram publicadas no periódico Natureza em 3 de julho de 2024.

Os pesquisadores primeiro desenvolveram um sistema para automatizar o controle e o ajuste do dispositivo durante a aquisição de dados, acelerando significativamente o processo de geração de imagens para uma velocidade de 10.000 imagens ao longo de 8,5 horas. Então, ao executar operações de média específicas com essas imagens, eles minimizaram o ruído para obter imagens muito mais claras contendo dados distintos de campo elétrico e campo magnético.

O desafio abordado a seguir foi a correção de pequenos desfoques, que causavam aberrações nas imagens adquiridas.

“A ideia de correção de aberrações pós-captura de imagem que empregamos é exatamente a mesma que motivou o Dr. Dennis Gabor a inventar a holografia eletrônica em 1948. Em outras palavras, a metodologia já estava teoricamente estabelecida. Até agora, no entanto, não havia implementações tecnológicas para tal correção automatizada em holografia eletrônica fora do eixo”, explica o pesquisador chefe Toshiaki Tanigaki da Hitachi, Ltd.

A técnica implementada foi capaz de corrigir o desfoque devido a pequenas mudanças de foco ao analisar ondas de elétrons reconstruídas. Graças a essa abordagem, as imagens resultantes estavam livres de aberrações residuais, tornando as posições e fases dos átomos facilmente discerníveis com o campo magnético.

Aproveitando essas duas inovações, a equipe realizou medições de holografia eletrônica em amostras de Ba₂FeMoO₆um material cristalino em camadas no qual camadas atômicas adjacentes têm campos magnéticos distintos.

Ao comparar seus resultados experimentais com simulações, eles confirmaram que superaram o recorde anteriormente estabelecido, conseguindo observar os campos magnéticos de Ba₂FeMoO₆ com uma resolução sem precedentes de 0,47 nm.

“Este resultado abre portas para observações diretas das redes magnéticas em áreas específicas, como interfaces e limites de grãos, em muitos materiais e dispositivos”, disse Tanigaki.

“Nosso estudo marca o primeiro passo para investigar muitos fenômenos velados cuja existência pode ser revelada pelas configurações de spin dos elétrons em materiais magnéticos.”

A equipe espera que sua conquista notável ajude a resolver muitos desafios científicos e tecnológicos.

“Nosso microscópio eletrônico de holografia de resolução atômica será usado por várias partes, contribuindo para avanços em uma ampla gama de campos que vão da física fundamental a dispositivos de última geração. Em última análise, isso abriria caminho para a realização de uma sociedade neutra em carbono por meio do desenvolvimento de ímãs de alto desempenho e materiais altamente funcionais que são essenciais para os esforços de descarbonização e economia de energia”, conclui Tanigaki.