Resolusi yang Belum Pernah Terlihat Sebelumnya: Mikroskopi Canggih Mengungkap Medan Magnet Misterius
Berkat akuisisi gambar canggih dan teknik koreksi aberasi otomatis, para peneliti berhasil mengukur medan magnet di Ba2FeMoO6 pada resolusi inovatif sebesar 0,47 nm untuk metode yang memungkinkan pengamatan sampel yang tidak rata. Resolusi setinggi itu sangat penting saat mengamati fenomena magnetik yang terjadi di antarmuka antara materials. Kredit: Toshiaki Tanigaki dari Hitachi, Ltd.
Teknik untuk memperoleh gambar dan mengoreksi pengaburan kini memungkinkan pengamatan medan magnet berskala atom dengan resolusi yang belum pernah terlihat sebelumnya.
Tim peneliti dari Jepang, yang terdiri dari ilmuwan dari Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), Universitas Kyushu, RIKEN, dan HREM Analysis Inc. (HREM), telah membuat terobosan signifikan dalam mengamati medan magnet pada skala yang sangat kecil. Bekerja sama dengan Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Lanjutan (AIST) dan Institut Nasional Ilmu Materials (NIMS), tim tersebut memanfaatkan mikroskop elektron holografi beresolusi atom milik Hitachi, bersama dengan teknologi akuisisi gambar yang baru dikembangkan dan algoritma koreksi defokus, untuk memvisualisasikan medan magnet dari masing-masing lapisan atom dalam padatan kristal.
Banyak kemajuan dalam perangkat elektronik, katalisis, transportasi, dan pembangkitan energi telah dimungkinkan oleh pengembangan dan adopsi materials berkinerja tinggi dengan karakteristik yang disesuaikan. Susunan atom dan perilaku elektron merupakan salah satu faktor paling penting yang menentukan sifat materials kristal. Khususnya, orientasi dan kekuatan medan magnet tepat di antarmuka antara materials atau lapisan atom yang berbeda sangatlah penting, dan sering kali membantu menjelaskan banyak fenomena fisik yang aneh. Sebelum terobosan ini, resolusi maksimum di mana medan magnet lapisan atom dapat diamati dibatasi hingga sekitar 0,67 nm, sebuah rekor yang dibuat oleh Hitachi menggunakan mikroskop elektron holografi canggih mereka pada tahun 2017.
Peningkatan dalam Teknologi Mikroskopis
Kini, berkat proyek kolaboratif yang besar, para peneliti telah berhasil mendorong batasan ini lebih jauh dengan mengatasi beberapa keterbatasan utama dalam mikroskop elektron holografi Hitachi. Temuan mereka telah dipublikasikan dalam jurnal Alam.
Para peneliti pertama-tama mengembangkan sistem untuk mengotomatiskan kontrol dan penyetelan perangkat selama akuisisi information, yang secara signifikan mempercepat proses pencitraan hingga kecepatan 10.000 gambar selama 8,5 jam. Kemudian, dengan melakukan operasi perataan khusus pada gambar-gambar ini, mereka meminimalkan gangguan untuk memperoleh gambar yang jauh lebih jelas yang berisi information medan listrik dan medan magnet yang berbeda.
Tantangan yang ditangani selanjutnya adalah koreksi untuk pengaburan kecil, yang menyebabkan aberasi pada gambar yang diperoleh. “Ide koreksi aberasi pasca-pengambilan gambar yang kami terapkan persis sama dengan yang memotivasi Dr. Dennis Gabor untuk menciptakan holografi elektron pada tahun 1948. Dengan kata lain, metodologi tersebut sudah ditetapkan secara teoritis. Namun, hingga saat ini, belum ada implementasi teknologi untuk koreksi otomatis seperti itu dalam holografi elektron di luar sumbu,” jelas Kepala Peneliti Toshiaki Tanigaki dari Hitachi, Ltd. Teknik yang diterapkan mampu mengoreksi pengaburan karena pergeseran fokus kecil dengan menganalisis gelombang elektron yang direkonstruksi. Berkat pendekatan ini, gambar yang dihasilkan bebas dari aberasi residual, membuat posisi dan fase atom mudah dilihat dengan medan magnet.
Pengamatan Terobosan dan Prospek Masa Depan
Dengan memanfaatkan kedua inovasi ini, tim melakukan pengukuran holografi elektron pada sampel Ba2FeMoO6bahan kristal berlapis di mana lapisan atom yang berdekatan memiliki medan magnet yang berbeda. Setelah membandingkan hasil eksperimen mereka dengan simulasi, mereka mengonfirmasi bahwa mereka melampaui rekor yang ditetapkan sebelumnya, berhasil mengamati medan magnet Ba2FeMoO6 pada resolusi 0,47 nm yang belum pernah ada sebelumnya. “Hasil ini membuka pintu untuk pengamatan langsung kisi magnetik di space tertentu, seperti antarmuka dan batas butiran, dalam banyak materials dan perangkat,” komentar Tanigaki yang bersemangat. “Studi kami menandai langkah pertama menuju penyelidikan banyak fenomena terselubung yang keberadaannya dapat diungkapkan oleh konfigurasi spin elektron dalam materials magnetik.”
Tim berharap pencapaian luar biasa mereka dapat membantu memecahkan banyak tantangan ilmiah dan teknologi. “Mikroskop elektron holografi beresolusi atom kami akan digunakan oleh berbagai pihak, berkontribusi pada kemajuan dalam berbagai bidang mulai dari fisika dasar hingga perangkat generasi berikutnya. Pada akhirnya, ini akan membuka jalan bagi terwujudnya masyarakat yang netral karbon melalui pengembangan magnet berkinerja tinggi dan materials yang sangat fungsional yang penting untuk upaya dekarbonisasi dan penghematan energi,” simpul Tanigaki yang berwawasan luas, dengan pandangan ke masa depan.
Hanya waktu yang dapat membuktikan penemuan menarik dan lompatan teknologi apa yang menanti kita berdasarkan wawasan yang dikumpulkan melalui mikroskopi holografi elektron yang lebih baik, jadi nantikan terus!
Referensi: “Pengamatan holografi elektron pada bidang kisi ferrimagnetik individu” oleh Toshiaki Tanigaki, Tetsuya Akashi, Takaho Yoshida, Ken Harada, Kazuo Ishizuka, Masahiko Ichimura, Kazutaka Mitsuishi, Yasuhide Tomioka, Xiuzhen Yu, Daisuke Shindo, Yoshinori Tokura, Yasukazu Murakami dan Hiroyuki Shinada, 3 Juli 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07673-w
Pengembangan mikroskop elektron beresolusi atom didukung oleh hibah dari Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) melalui “Program Pendanaan untuk Penelitian dan Pengembangan Inovatif Terkemuka Dunia di Bidang Sains dan Teknologi (Program FIRST)” yang diprakarsai oleh Council for Science, Expertise, and Innovation (CSTI). Lebih jauh, sebagian dari penelitian ini juga didukung oleh program “Core Analysis for Evolutional Science and Expertise (CREST)” (JPMJCR1664) dari JST.
