Dans les microscopes électroniques conventionnels, la réalisation d'observations à résolution atomique de matériaux magnétiques est particulièrement difficile car des champs magnétiques élevés sont inévitablement exercés sur les échantillons à l'intérieur de l'objectif magnétique. Le système d'objectif magnétique nouvellement développé fournit un environnement sans champ magnétique à la position de l'échantillon. Cela permet directement, imagerie à résolution atomique de matériaux magnétiques tels que les aciers au silicium. Ce nouveau microscope électronique devrait être largement utilisé pour la recherche et le développement de matériaux magnétiques avancés.

Dans le cadre du programme JST-SENTAN (Développement de système et de technologie pour la mesure et l'analyse avancées, Agence japonaise pour la science et la technologie), l'équipe de développement conjointe du professeur Naoya Shibata à l'Université de Tokyo et JEOL Ltd., a développé un microscope électronique révolutionnaire qui intègre de nouvelles lentilles d'objectif magnétiques, et obtenu directement, imagerie à résolution atomique de matériaux avec une résolution spatiale inférieure à Å, avec un champ magnétique résiduel inférieur à 0,2 mT à la position de l'échantillon. Au meilleur de notre connaissance, c'est la première fois qu'un tel objectif est atteint.

Au cours des 88 années écoulées depuis l'invention séminale du microscope électronique à transmission (MET) en 1931, les chercheurs ont continuellement recherché une meilleure résolution spatiale. La conception de lentilles d'objectif magnétiques avec des coefficients d'aberration de lentille plus petits a été nécessaire, et les systèmes de lentilles de correction d'aberration pour le balayage TEM (STEM) ont atteint une résolution spatiale inférieure à Å.

L'un des principaux inconvénients des systèmes à lentilles-objectifs magnétiques actuels pour les MET/STEM à résolution atomique est que les échantillons doivent être insérés dans des champs magnétiques très élevés allant jusqu'à 2-3 T. Ces champs élevés peuvent gravement entraver l'imagerie à résolution atomique de de nombreux matériaux magnétiques doux/durs importants, comme l'acier au silicium, car le champ fort peut considérablement altérer, voire détruire, la structure magnétique et parfois physique du matériau. Récemment, le développement de nouveaux matériaux magnétiques a progressé rapidement. Comme l'analyse structurelle à l'échelle atomique est la clé de la technologie susmentionnée, une solution à ce problème est depuis longtemps nécessaire.

L'équipe commune a développé un nouveau système d'objectif sans champ magnétique, contenant deux lentilles rondes positionnées dans une configuration à symétrie miroir exacte par rapport au plan de l'échantillon. Ce nouveau système de lentilles fournit des champs magnétiques résiduels extrêmement faibles à la position de l'échantillon tout en plaçant les lentilles d'objectif avant/arrière fortement excitées suffisamment près de l'échantillon pour obtenir la condition de courte focale indispensable pour l'imagerie à résolution atomique. Par conséquent, les champs magnétiques résiduels générés près du centre de l'échantillon sont beaucoup <0,2 mT, qui est 10, 000 fois inférieure à la valeur des objectifs magnétiques conventionnels utilisés pour l'imagerie TEM/STEM à résolution atomique.

L'équipe commune a utilisé ce nouveau système pour observer la structure atomique d'une feuille d'acier au silicium à grains orientés, qui est l'un des matériaux d'ingénierie magnétique doux les plus importants. Cette feuille est utilisée comme matériau de base pour les transformateurs électriques et les moteurs, et sa caractérisation à résolution atomique des défauts individuels a longtemps été recherchée. En utilisant le système de lentilles nouvellement développé, la structure atomique résolue de l'acier au silicium a été clairement observée, et direct, l'imagerie à résolution atomique dans un environnement sans champ magnétique a été réalisée pour la microscopie électronique, permettant une caractérisation structurelle sans précédent au niveau atomique des matériaux magnétiques.

Le microscope électronique nouvellement développé peut être utilisé de la même manière que celui des MET/STEM conventionnels. On s'attend à ce qu'il encourage davantage la recherche et le développement substantiels dans divers domaines de la nanotechnologie.