磁性材料中通常會形成複雜的磁疇、渦旋和三維拓撲結構等自旋織構，這些自旋織構會表現出很多新奇的物理性質，并有望作為信息載體用于下一代新型低能耗的信息存儲器。探索新的更小尺寸的自旋織構，并研究其形态、內禀結構和動态演化是實現高密度自旋電子學器件的基礎。而這類研究通常需要高空間分辨率的磁成像技術。目前常用的光學成像技術一般隻能實現微米到幾百納米的分辨率，極大地限制了亞微米到原子尺度自旋織構的研究。在10-20納米以下的空間尺度，現有成像技術主要包括研究樣品表面的掃描探針技術和基于同步輻射線站的X射線技術，在應用上都有一定的局限性。因此需要開發具有更大普适性的高分辨率磁成像技術。

近期，beat365陳震副研究員與美國康奈爾大學等機構的研究者合作開發了一種新的磁成像技術。這種技術結合零磁場下的洛倫茲四維掃描透射電子顯微術和電子疊層衍射成像技術，突破了電磁透鏡和光闌限制的物理衍射極限，大幅度提高了磁成像的分辨率，并通過數值模拟展示了現有設備實現亞納米分辨率的可能性。該工作使用FeGe樣品作為模型體系，在94開的低溫（約零下180攝氏度）下，成功展示了磁斯格明子内部清晰的精細結構。研究中使用的透射電子顯微鏡，更常用來進行材料原子排列的結構成像，最新的球差校正電子顯微鏡日常即能實現優于0.1納米的分辨率。

結合類似的疊層衍射成像技術，陳震與合作者在2018年實現了圖像空間分辨率的吉尼斯世界紀錄，并在2021年進一步實現了接近原子熱振動極限的20皮米分辨率，該成果也是中國兩院院士評選出的2021年世界十大科技進展新聞之一。

然而常規原子成像技術需要使用強的電磁透鏡對電子進行聚焦，在樣品附近會産生約2特斯拉的強磁場，這個磁場會破壞大部分磁性樣品内的本征磁疇結構。為了研究鐵磁或亞鐵磁材料本征的自旋織構，通常需要零磁場或者接近零磁場的成像條件，由此分辨率會大大降低。透射電鏡中常用洛倫茲透射電子顯微術和電子全息技術來對自旋織構進行高分辨率成像，然而受限于成像原理和儀器硬件，這些方法的分辨率和解析度存在很大不足。該研究報道的新技術在空間分辨率和測量靈敏度等方面均有明顯的優勢，為自旋電子學相關領域的研究提供了一種新的工具，具有廣泛的應用前景。

實驗原理示意圖（左圖），磁斯格明子晶格磁矩分布圖（中圖）和放大的矢量圖（右圖）

該研究是國際上首次在透射電子顯微鏡中實現磁結構的疊層衍射成像技術，研究成果于10月31日在線發表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上，論文題目為“超越衍射極限的磁織構洛倫茲電子疊層衍射成像”（Lorentz electron ptychography for imaging magnetic textures beyond the diffraction limit）。

該技術的實現需要使用非标準成像模式，基于大量的設備調試和參數校正，并在算法優化和參數選擇上進行大量摸索。beat365陳震副研究員在美國康奈爾大學博士後期間主導完成該工作，擔任該論文的第一作者和共同通訊作者。入職beat365以來，陳震帶領團隊在北京電子顯微鏡中心的設備上成功複現了該技術，并做出了新的發展。這些新技術的發展進一步拓展了北京電子顯微鏡中心大型儀器平台的成像能力，可以更好地為廣大用戶提供測試服務。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01224-y#Sec10