磁性结构的原子尺度成像

碲化铁的磁性顺序，用低温扫描隧道显微镜成像。放大的部分显示了原子结构。

马克斯·普朗克固体研究所的科学家使用原子尺度的磁性结构成像技术研究高温超导性的新方面。

超导体引起了很多希望，特别是在高温下会失去电阻的材料，无论是用于高性能医学成像技术，能量传输还是磁悬浮列车。值得称呼的高温超导体可以找到许多应用。然而，他们的迷恋与他们的真实本质的持续神秘性无关。迄今为止，这阻碍了为实际温度寻找零电阻导体的努力。位于斯图加特和奥格斯堡的马克斯·普朗克固体研究所的科学家们正在为更详细地了解铁基超导体的工作原理以及磁性作用做出贡献。他们是第一个以原子级对所谓的强相关电子系统（在此为碲化铁）的磁性结构进行成像的成像仪。在此之前，有关磁性结构的信息仅通过中子衍射提供，但其产生的图像不够精确。碲化铁是硫属硫化铁超导体的非超导母体化合物。现在，研究人员希望能够将该方法应用于同时具有超导和磁性特性的材料，以便更多地了解磁性和超导性之间的关系。

氧化铜陶瓷或铁砷化合物等物质被认为是高温超导体：为了使其超导，它们不必像其他材料那样被充分冷却。为什么是这样？迄今为止，有一些假设，但是没有经过验证的精确过程描述。“许多研究小组现在提出的一个关键问题是这些材料的磁性能和超导性能之间的关系，”马克斯·普朗克固体研究所和圣安德鲁斯大学的彼得·瓦尔说。“两种效应都能同时发生在同一位置吗？还是它们互斥？”物理学家认为，材料的磁性甚至可能是其超导性的原因。

为了对此进行检验，研究人员长期以来一直在寻找一种程序，该程序可以在原子尺度上表征这些高度相关的电子材料中的磁性结构。迄今为止，中子衍射法一直是研究磁阶的首选工具，但它仅提供了对磁结构的空间平均见解。

斯图加特的马克斯·普朗克研究人员现在使用了所谓的自旋极化扫描隧道显微镜，该显微镜可以成像单个原子的磁矩的方向。该方法不是新方法，但到目前为止，已主要应用于金属表面和纳米结构。到目前为止，还不清楚的是该方法是否可用于阐明强相关系统（如碲化铁）的磁性结构。这是因为该材料的顶层由碲组成，碲本身不是磁性元素。

科学家现在已经证明，自旋极化扫描隧道显微镜即使化学性质复杂，也可以应用于强相关的电子材料。下面的铁晶格最有可能产生太大的影响。可以在扫描隧道显微镜拍摄的图像中识别出由碲化铁中反铁磁有序产生的狭窄的纵向条纹。在条纹内，所有磁矩都具有相同的方向。在相邻的条纹上，它的方向相反。

一个实验挑战是磁化显微镜的尖端以进行自旋极化研究。为了研究表面上的纳米结构，研究人员主要是通过加热显微镜的尖端并在其上气相沉积磁性材料来实现的。为了避免需要这种对技术要求很高的程序，科学家使用了一个技巧：他们用显微镜的尖端在被研究的碲化铁表面上拾取了单个铁原子，直到它变成磁性为止。这样，他们可以在真实空间中以原子分辨率成像碲化铁中的磁条顺序。

研究人员对形成反铁磁结构所必需的温度进行了有趣的观察。在实验中，温度约为负227摄氏度，比通常所需的温度低约20摄氏度。原因是研究人员在实验中仅观察到碲化铁的表面。与大部分材料中的碲化铁层相比，此处缺少与它上面的原子层的相互作用。因此，磁矩也无法相互稳定其顺序-磁结构仅在较低温度下形成。

彼得·瓦尔（Peter Wahl）领导的研究小组还确定，当铁原子的比例更高时，磁阶会变得更加复杂：纵向条纹部分溶解，并被横向条纹覆盖。多余的原子及其磁矩似乎使磁混乱了。彼得·瓦尔（Peter Wahl）说：“这里仍有很大的研究潜力。”“我相信真正的繁荣将很快发展，研究小组将在超导性和磁性之间的边界上对其他材料进行类似的实验。”了解这些材料的特性将是朝着更节能的超导技术迈出的第一步，最终甚至可能适合常规应用。

出版物：Mostafa Enayat等人，“ Fe1 + yTe原子级磁性结构的真实空间成像”，2014年，《科学》； DOI：10.1126 / science.1251682

图像：Peter Wahl，圣安德鲁斯大学和MPI固态研究