出于对裸眼观察不到的物质的好奇心，研究人员开发了各种显微镜。尤其是电子显微镜，拥有可以看清每个原子的最高分辨率，但此前一直以为无法观察到每个原子的磁场。东京大学研究生院工学系研究科的柴田直哉教授和关岳人助教与日本电子公司EM业务部的专家河野祐二等人组成的联合开发团队，利用新开发的原子分辨率无磁场电子显微镜（MARS），全球首次成功地直接观察到了作为磁铁起源的原子磁场。这是一项会改写显微镜开发历史的划时代成果。柴田教授表示：“开发了将近10年，终于抓住了磁结构的一端。磁结构快速变化的状态发生在低温区。今后还将观察超导出现的瞬间等。”相关成果已在线发布于Nature。
取得了改写显微镜历史的成果——新开发的原子分辨率无磁场电子显微镜与东京大学研究生院工学系研究科的柴田直哉教授（供图：东京大学）
亚铁磁性材料中的Fe原子的磁矩方向。在室温下横向排列（左），在113K的温度下磁矩变为纵向排列（右）（供图：东京大学）
目前电子显微镜的全球最高性能是东京大学与日本电子的联合研究团队2017年实现的40.5皮米，可以分辨比氢原子的半径（53皮米）还小的物质。这种原子级分辨率是通过用强磁场透镜聚集电子束实现的。因此，在磁存储器和自旋器件等磁性器件中，透镜的强磁场会与样本的磁性发生强烈的相互作用，导致原有结构大大改变或遭到破坏。但如果将透镜的磁场弱化到不破坏结构的程度进行观察，分辨率就会恶化，无法观察原子。
针对这个难题，联合开发团队2019年通过在样本室的上下方设置物镜彻底消除施加给样本的磁场，全球首次证明可在无磁场环境下以原子分辨率进行观察。“在此之前主要通过校正像差来提高分辨率，因此基本没人想过要这样做，但我觉得应该可以这样做，于是与日本电子公司的优秀员工合作，使之成为了现实。”（柴田）。
磁性材料是由不同磁畴（拥有一定磁场结构的区域）组合形成的，但一直不清楚作为其界面的磁畴壁形成了什么样的磁场结构。如果能了解这一点，就有望加速高性能、高效率的磁性材料开发，从而减少整个社会的能源消耗。
为此，需要以单个原子的分辨率观察磁场。虽然已经形成无磁场观察环境，但单个原子的磁场非常小，如果利用以往的检测器和检测方法，信号会被噪声淹没。
因此，此次为原子分辨率无磁场电子显微镜MARS（Magnetic-field-free Atomic Resolution STEM）配备新开发的超高灵敏度高速分割型检测器，并采用计算机图像处理技术，试着观察了赤铁矿（α-Fe2O3）晶体内部的铁原子的磁场。磁场观察采用局部电磁场测量法——原子分辨率微分相位对比（DPC）法（使用柴田教授等人开发的扫描透射电子显微镜（STEM））。
赤铁矿晶体具有Fe原子层与氧原子层交错层叠的原子结构。在室温下呈反铁磁性，被认为具有Fe原子的磁矩方向交错排列的自旋结构。利用普通的STEM法观察这种晶体时可以观察到Fe原子，但无法捕捉到磁矩信息。
DPC法利用电子显微镜的入射电子因电场和磁场而偏转的现象使电磁场可视化，但仅凭这种方法还无法观察到磁场。这是因为，原子内部不仅有磁场，原子核与电子云之间还存在强电场，在高达99％的强电场的影响下，磁场导致的偏转现象会被掩盖。
为使原子的磁场可视化，开发团队开发了特殊的图像处理技术，实施了通过减去DPC图像中拥有反方向磁矩的Fe原子之间的信号来抵消电场的影响，仅提取磁场信号的图像处理。“通过从结构信息中减去电场影响对称部分的影响，成功地只提取了磁场”（河野）。
在室温和113开尔文的低温下分别观察赤铁矿发现，在室温下磁场沿着层存在，而在低温下，磁场的方向被纵向层结构取代。这也与模拟结果一致。“此次为确认是否真的能看到磁场结构，使用了已预测到磁场结构的材料，接下来我们还想观察亚铁磁性材料和磁畴壁等”（柴田）。
日本电子的大井泉社长表示：“作为日本的企业，我们的使命是生产领先于世界其他国家的设备。在这种情况下，此次利用MARS取得了全球领先的成果。今后希望日本的大学能与产业界合作来开发各种应用。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
