Wetenschappers kunnen nu magnetisch gedrag op atomair niveau detecteren met een nieuwe elektronenmicroscopietechniek die is ontwikkeld door een team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de Universiteit van Uppsala, Zweden. De onderzoekers kozen een contra-intuïtieve benadering door gebruik te maken van optische vervormingen die ze doorgaans proberen te elimineren.

"Het is een nieuwe benadering om magnetisme op atomaire schaal te meten, " Juan Carlos Idrobo van ORNL zei. "We zullen materialen op een nieuwe manier kunnen bestuderen. Harde schijven, bijvoorbeeld, worden gemaakt door magnetische domeinen, en die magnetische domeinen liggen ongeveer 10 nanometer uit elkaar." Een nanometer is een miljardste van een meter, en de onderzoekers zijn van plan hun techniek te verfijnen om magnetische signalen te verzamelen van individuele atomen die tien keer kleiner zijn dan een nanometer.

"Als we de interactie van die domeinen met atomaire resolutie kunnen begrijpen, misschien kunnen we in de toekomst de grootte van magnetische harde schijven verkleinen, "Zei Idrobo. "We zullen het niet weten zonder ernaar te kijken."

Onderzoekers hebben van oudsher scanning-transmissie-elektronenmicroscopen gebruikt om te bepalen waar atomen zich in materialen bevinden. Met deze nieuwe techniek kunnen wetenschappers meer informatie verzamelen over hoe de atomen zich gedragen.

"Magnetisme vindt zijn oorsprong op atomaire schaal, maar de technieken die we gebruiken om het te meten hebben meestal ruimtelijke resoluties die veel groter zijn dan één atoom, ' zei Idrobo. 'Met een elektronenmicroscoop, je kunt de elektronensonde zo klein mogelijk maken en als je weet hoe je de sonde moet besturen, je kunt een magnetische handtekening oppikken."

Het ORNL-Uppsala-team ontwikkelde de techniek door een heroverweging van een hoeksteen van elektronenmicroscopie die bekend staat als aberratiecorrectie. Onderzoekers hebben tientallen jaren gewerkt aan het elimineren van verschillende soorten aberraties, dit zijn vervormingen die optreden in de elektronen-optische lens en de resulterende beelden vervagen.

In plaats van de aberraties in de elektronenmicroscoop volledig te elimineren, de onderzoekers hebben met opzet een soort aberratie toegevoegd, viervoudig astigmatisme genoemd, om magnetische signalen op atomair niveau te verzamelen van een lanthaan-mangaan-arseenoxide-materiaal. De experimentele studie valideert de theoretische voorspellingen van het team gepresenteerd in een 2014 Fysieke beoordelingsbrieven studie.

"Dit is de eerste keer dat iemand aberraties heeft gebruikt om magnetische orde in materialen te detecteren in elektronenmicroscopie, Idrobo zei. "Aberratiecorrectie stelt je in staat om de elektronensonde klein genoeg te maken om de meting te doen, maar tegelijkertijd moesten we een specifieke afwijking aanbrengen, wat het tegenovergestelde is van wat mensen gewoonlijk doen."

Idrobo voegt eraan toe dat nieuwe elektronenmicroscopietechnieken bestaande methoden kunnen aanvullen, zoals röntgenspectroscopie en neutronenverstrooiing, die de gouden standaard zijn bij het bestuderen van magnetisme, maar beperkt zijn in hun ruimtelijke resolutie.

De studie is gepubliceerd als "Detecting magnetic ordering with aatomic size electronic probes, " in het journaal van Geavanceerde structurele en chemische beeldvorming .