2023年2月22日，清華大學朱靜院士團隊聯(lián)合復旦大學車仁超教授和北京大學李源副教授在《自然》雜志上發(fā)表了題為” Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor” ^[1] 的文章。該研究工作采用賽默飛透射電子顯微鏡（TEM）S次在贗能隙態(tài)YBa₂Cu₃O_6.5材料中發(fā)現(xiàn)了拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)的存在。該拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)在實空間微觀尺度上給贗能隙態(tài)下的時間反演對稱性破缺提供了的直接圖像證據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)該拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)在電荷密度波態(tài)時被破壞，進入到超導態(tài)時又重新出現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)對揭示高溫超導的微觀機理具有重大的意義，而先進的透射電子顯微鏡在這一發(fā)現(xiàn)上更是功不可沒。朱靜院士，車仁超教授等人深耕于超導材料研究領(lǐng)域，洛倫茲低溫原位透射電鏡研究領(lǐng)域，電子顯微學研究領(lǐng)域多年，取得了一系列重要研究成果。在本研究中，研究團隊利用復旦大學電子顯微鏡實驗室新安裝的Spectra 300透射電子顯微鏡開展低溫洛倫茲樣品測試，獲得了此次重大發(fā)現(xiàn)。

2021年，賽默飛上海納米港（Shanghai NanoPort, Thermo Fisher Scientific）有幸參與其中部分實驗工作，在創(chuàng)建冷凍實驗環(huán)境和原位數(shù)據(jù)采集方面積極地配合支持。本文將主要介紹兩種電子顯微學技術(shù)——洛倫茲透射電鏡（LTEM）和積分差分相位襯度（iDPC）在該工作中起到的關(guān)鍵作用。

洛倫茲透射電鏡（LTEM）

正常TEM光路下，物鏡處于開啟狀態(tài)，樣品在物鏡上下極靴中間處于~2T的強磁場中，樣品本征的磁結(jié)構(gòu)會被物鏡的強磁場破壞。為了在無磁環(huán)境下觀察樣品本征的磁結(jié)構(gòu)，賽默飛場發(fā)射透射電鏡Talos和球差校正透射電鏡Spectra都可以通過關(guān)閉物鏡電流使樣品處于零磁場環(huán)境，再由位于物鏡下極靴內(nèi)部的洛倫茲磁透鏡實現(xiàn)對樣品微觀本征磁結(jié)構(gòu)的觀察。LTEM成像模式主要有兩種：Fresnel成像模式和Foucault成像模式。Fresnel成像模式是通過改變圖像的離焦量實現(xiàn)對磁疇或疇壁的觀察。其圖像主要特點是欠焦和過焦條件下磁疇疇壁的襯度是相反的，而正焦圖像則沒有磁襯度。Foucault成像是通過遮擋或者保留后焦面上與磁疇相關(guān)的衍射信號來實現(xiàn)（類似于暗場像）, 適用于觀測不同磁化取向的磁疇。圖1a-c分別為該文章中贗能隙態(tài)YBa₂Cu₃O_6.5樣品的正焦、過焦以及欠焦下的Fresnel圖像，離焦量為±1.08 mm。其反轉(zhuǎn)的襯度特點，切實證明了該樣品中存在拓撲學特征的疇結(jié)構(gòu)。此外，賽默飛透射電鏡上的洛倫茲功能不僅可以實現(xiàn)無磁環(huán)境，還可以很方便地通過改變物鏡電流來改變磁場，用于原位研究磁結(jié)構(gòu)隨磁場強度的變化。在本研究中，作者通過改變物鏡電流對樣品施加外磁場影響，拓撲學特征消失，進一步證明了該效應(yīng)是由磁學特性引起的。作者通過使用強度傳遞方程（Transport of Intensity Equation, TIE）的相位重構(gòu)技術(shù)^[2]，對LTEM圖像進行數(shù)據(jù)處理得到拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)的磁場方向和相對強度分布（圖1d-e, i-l）。圖1m-n是由LTEM結(jié)果推測出來的兩種可能的磁渦旋結(jié)構(gòu)示意圖。該文章中LTEM實驗分別在賽默飛Spectra300，Themis和Titan機臺進行了重復驗證，均觀察到拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)。

圖1 （a-c）LTEM Fresnel模式下贗能隙態(tài)YBa₂Cu₃O_6.5樣品的正焦、過焦、欠焦圖像（離焦量為±1.08 mm），樣品處于300 K，零磁場環(huán)境，標尺為500 nm；（d-e）為通過TIE算法得到的磁場和磁場強度圖像；（f-j）為紅色方框?qū)?yīng)的剪裁放大圖像；（k-l）為單個磁渦旋結(jié)構(gòu)的磁場和磁場強度圖；（m-n）為兩種可能的拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)示意圖^[1]

除了常規(guī)的LTEM成像外，賽默飛球差校正透射電鏡Spectra系列可以通過物鏡球差校正器對LTEM光軸進行像差校正。像差校正洛倫茲模式下可以得到優(yōu)于1nm的信息分辨率，從而幫助科研工作者觀察到更小的磁結(jié)構(gòu)。

積分差分相位襯度（iDPC）

球差校正透射電鏡的超高空間分辨率提供了關(guān)于拓撲自旋結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與局域晶體結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的更多信息。銅基超導材料中氧原子的摻雜或缺失對材料性能具有重要的影響，直接觀察到氧原子的占位對深入揭示材料微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系具有重大的意義。然而，廣泛使用的掃描透射電鏡（STEM）的高角環(huán)形暗場（HAADF）圖像，因其主要接收高角盧瑟福散射信號，導致輕重元素無法同時成像，C、N、O等輕原子無法觀察到。STEM環(huán)形明場（ABF）像雖然能觀察到輕元素，但ABF圖像無法直接解讀，而且存在對樣品厚度要求高、圖像信噪比不佳等問題。為了解決以上問題，賽默飛提出并發(fā)展了積分差分相位襯度（iDPC）技術(shù)。iDPC這一全新STEM成像模式的出現(xiàn)，大大提高了透射電子顯微鏡捕獲原子的能力。iDPC技術(shù)具有能實現(xiàn)輕重原子同時成像，能實現(xiàn)低電子劑量，高分辨和高信噪比成像，圖像襯度易解讀等優(yōu)點^[3]。目前，iDPC技術(shù)已成為材料表征領(lǐng)域技術(shù)熱點，在表征輕元素占位、二維材料、電子束敏感材料、超導體等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。iDPC成像技術(shù)現(xiàn)已完全集成在賽默飛球差校正電鏡Spectra和場發(fā)射電鏡Talos上，能實現(xiàn)iDPC圖像的在線采集和顯示。

圖2  (a) YBa₂Cu₃O_6.0， (b) YBa₂Cu₃O_6.5和(c) YBa₂Cu₃O_6.9的原子分辨率iDPC圖像^[1]

圖2為YBa₂Cu₃O_6.0、YBa₂Cu₃O_6.5和YBa₂Cu₃O_6.9的高分辨iDPC圖像，可以清楚的觀察到氧原子的位置，隨著氧摻雜含量的不同，Cu-O鏈上的氧占位逐漸增加。值得注意的是贗能隙態(tài)YBa₂Cu₃O_6.5的Cu-O鏈上出現(xiàn)了氧富集和氧缺失的有序排列。作者認為這種氧的有序排列有利于拓撲磁渦旋結(jié)構(gòu)沿c軸自由排列，是觀察磁渦旋結(jié)構(gòu)的Z佳區(qū)域。作者認為現(xiàn)階段不能完全排除氧填充鏈激發(fā)磁性的可能。

賽默飛將致力于相關(guān)電子顯微學技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，為材料的電、磁學性能研究提供更強大的助力。

作者：劉建

參考文獻

[1] Zechao Wang, Ke Pei, Liting Yang, Chendi Yang, Guanyu Chen, Xuebing Zhao, Chao Wang, Zhengwang Liu, Yuan Li, Renchao Che & Jing Zhu. Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05731-3

[2] M. Beleggia, M.A. Schofield, V.V. Volkov, Y. Zhu. On the transport of intensity technique for phase retrieval. Ultramicroscopy 102 (2004) 37–49.

[3] Ivan Lazi?, Eric G.T. Bosch and Sorin Lazar. Phase contrast STEM for thin samples: Integrated differential phase contrast. Ultramicroscopy 160, 265-280 (2016).