2023年2月22日，清華大學(xué)朱靜院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)車仁超教授和北京大學(xué)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?” 的文章[1]。該研究工作采用透射電子顯微鏡 (TEM) 首次在贗能隙態(tài)YBa2Cu3O6.5材料中發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)的存在。該拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)在實(shí)空間微觀尺度上給贗能隙態(tài)下的時(shí)間反演對(duì)稱性破缺提供了的直接圖像證據(jù)，并且發(fā)現(xiàn)該拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)在電荷密度波態(tài)時(shí)被破壞，進(jìn)入到超導(dǎo)態(tài)時(shí)又重新出現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)揭示高溫超導(dǎo)的微觀機(jī)理具有重大的意義，而先進(jìn)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(dǎo)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(xué)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(tuán)隊(duì)利用復(fù)旦大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室的透射電子顯微鏡開展低溫洛倫茲樣品測(cè)試，獲得了此次重大發(fā)現(xiàn)。在此就來(lái)為大家主要介紹兩種電子顯微學(xué)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。

01

洛倫茲透射電鏡（LTEM）

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(guò)改變圖像的離焦量實(shí)現(xiàn)對(duì)磁疇或疇壁的觀察。其圖像主要特點(diǎn)是欠焦和過(guò)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(guò)遮擋或者保留后焦面上與磁疇相關(guān)的衍射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)（類似于暗場(chǎng)像）, 適用于觀測(cè)不同磁化取向的磁疇。

圖1a-c分別為該文章中贗能隙態(tài)YBa2Cu3O6.5樣品的正焦、過(guò)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(diǎn)，切實(shí)證明了該樣品中存在拓?fù)鋵W(xué)特征的疇結(jié)構(gòu)。此外，透射電鏡上的洛倫茲功能不僅可以實(shí)現(xiàn)無(wú)磁環(huán)境，還可以很方便地通過(guò)改變物鏡電流來(lái)改變磁場(chǎng)，用于原位研究磁結(jié)構(gòu)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。在本研究中，作者通過(guò)改變物鏡電流對(duì)樣品施加外磁場(chǎng)影響，拓?fù)鋵W(xué)特征消失，進(jìn)一步證明了該效應(yīng)是由磁學(xué)特性引起的。作者通過(guò)使用強(qiáng)度傳遞方程（Transport of Intensity Equation, TIE）的相位重構(gòu)技術(shù)[2]，對(duì)LTEM圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)方向和相對(duì)強(qiáng)度分布（圖1d-e, i-l）。圖1m-n是由LTEM結(jié)果推測(cè)出來(lái)的兩種可能的磁渦旋結(jié)構(gòu)示意圖。

除了常規(guī)的LTEM成像外，球差校正透射電鏡還可以通過(guò)物鏡球差校正器對(duì)LTEM光軸進(jìn)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)。

02

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?fù)渥孕Y(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(dǎo)材料中氧原子的摻雜或缺失對(duì)材料性能具有重要的影響，直接觀察到氧原子的占位對(duì)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(chǎng) (HAADF) 圖像，因其主要接收高角盧瑟福散射信號(hào)，導(dǎo)致輕重元素?zé)o法同時(shí)成像，C、N、O等輕原子無(wú)法觀察到。STEM環(huán)形明場(chǎng) (ABF) 像雖然能觀察到輕元素，但ABF圖像無(wú)法直接解讀，而且存在對(duì)樣品厚度要求高、圖像信噪比不佳等問(wèn)題。

為了解決以上問(wèn)題，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(shí)現(xiàn)輕重原子同時(shí)成像，能實(shí)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(diǎn)[3]。目前，iDPC技術(shù)已成為材料表征領(lǐng)域技術(shù)熱點(diǎn)，在表征輕元素占位、二維材料、電子束敏感材料、超導(dǎo)體等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

圖2為YBa2Cu3O6.0、YBa2Cu3O6.5和YBa2Cu3O6.9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)YBa2Cu3O6.5的Cu-O鏈上出現(xiàn)了氧富集和氧缺失的有序排列。作者認(rèn)為這種氧的有序排列有利于拓?fù)浯艤u旋結(jié)構(gòu)沿c軸自由排列，是觀察磁渦旋結(jié)構(gòu)的最佳區(qū)域?，F(xiàn)階段不能完全排除氧填充鏈激發(fā)磁性的可能。

參考

[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)