Рентгеновская и просвечивающая электронная микроскопия магнитных структур Аспирант 1-го года обучения Татарский Д.А.

Магнито-силовая микроскопия Массив Co-Cr частиц Миронов В.Л., Основы сканирующей зондовой микроскопии

Лоренцевская микроскопия Ren Chao Che, Chong Yun Liang, Xiang He et al. Sci. Technol. Adv. Mater. 12, (2011)

План семинара. Ч.1 Рентгеновские лучи Магнитный круговой дихроизм рентгеновских лучей (XMCD) Магнитная рентгеновская микроскопия (эксперимент) Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом (теория)

Магнитный круговой дихроизм рентгеновских лучей (XMCD)

X-ray absorption spectroscopy (XAS) Энергия, эВ XANES EXAFS Поглощение, отн.ед. ~ эВ

X-ray magnetic circular dichroism J.J. Rehr, R.C. Albers, Rev. Mod. Phys. 72, 621 (2000) Энергия, эВ +, – Поглощение, отн. ед. Fe L 3 Fe L 2

Рентгеновские микроскопы Photoemission electron microscope, Japan Разрешение: 22 нм Изображение доменной структуры

Рентгеновские микроскопы X-ray transmission microscope (использует зонные пластинки Френеля) XM-1, Berkley Разрешение: 15 нм D.-H. Kim, P. Fischer, W. Chao et al., J. Appl. Phys. 99, 08H303 (2006) Доменная структура CoCrPt

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом (полуклассическая теория)

Полное сечение фотопоглощения Дипольное приближение Золотое правило Ферми: Одноэлектронное приближение

Круговая поляризация фотонов

Зонная структура 3d ферромагнетика Fe, Ni, Co Наличие взаимодействия между орбитальным моментом глубокого электрона со спинами электронов 3d-зоны приводит к появлению «эффективного» магнитного поля Плотность состояний Ni, Физика магнитных явлений Г.С. Кринчик (1976) 3d-зона 4s-зона E g(E) 4s-зона E g(E) downup

Двухуровневая система с расщеплением конечного состояния XMCD

План семинара. Ч.2 Электроны Взаимодействие быстрых электронов с веществом (теория) Магнитный киральный дихроизм энергетических потерь электронов (EMCD) EMCD в просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) Сравнение методов EMCD и XMCD

Взаимодействие быстрых электронов с веществом

Переходы в непрерывном спектре. Теория возмущений Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Курс теоретической физики. Т.3. Квантовая механика, нерелятивистская теория

Дифференциальное сечение рассеяния

Сходство между поглощением рентгеновских лучей и неупругим рассеянием электронов A.P. Hitchcock, Jpn. J. Appl. Phys. 32 (suppl.2), 176 (1992) X-ray absorption near edge structure (XANES) Electron Energy loss near edge structure (ELNES)

Магнитный киральный дихроизм энергетических потерь электронов (EMCD)

«Круговая поляризация» электронов Интерференция двух волн

Спектрометр Маха-Цендера Если фазовращатель меняет фазу луча на φ, то: P.Neilhebel et al., Phys. Rev. Lett. 85, 1847 (2000) ИсточникДелитель Фазовращатель Атом Детектор Энергетический фильтр

Реализация спектрометра Маха- Цендера в ПЭМ Делитель: периодическая кристаллическая структура Разность фаз: комплексные амплитуды соответствующих брэгговских рефлексов Кристалл играет роль интерферометра Маха-Цендера Первый эксперимент: P. Schattschneider, S. Rubino, C. Hebert et al. Nature 441, 486 (2006)

Форимрование изображения и дифракционной картины в ПЭМ

Светлопольное и темнопольное изображения

Устройство ПЭМ с энергетическим фильтром

Условия наблюдения EMCD L. Calmels, F. Houdellier, B. Warot-Fonrose et al., Phys. Rev. B 76, (2007) J. Rusz, S. Rubino, P. Schattschneider, Phys. Rev. B 75, (2007)

Измерение EMCD a)трехлучевая дифракционная картина b)сигнал EMCD

EMCD в просвечивающей электронной микроскопии

Магнитная микроскопия высокого разрешения P. Schattschneider, M. Stogger-Pollach, S. Rubino et al. Phys. Rev. B 78, (2008) – сумма I + +I – – разность I + –I –

Распределение намагниченности в реальном пространстве H. Lidbaum, J. Rusz, S. Rubino, Ultramicroscpy 110, 1380 (2010) EMCD Fe-L 3 EMCD Fe-L 2

Распределение намагниченности в реальном пространстве M. Stuger-Pollacha, C.D. Treiber, G.P. Resch et al., Micron 42, 456 (2011) Бактерия Magnetospirillum magnetotacticum Изображение частиц Сигнал EMCD

Сравнение методов XMCD и EMCD XMCD Возможно изучение образцов любой структуры Необходимость иметь синхротронный источник «Низкое» латеральное разрешение (~10 нм) EMCD Доступность ПЭМ с энергетическим фильтром Высокое латеральное разрешение (~2 нм) Образец должен иметь кристаллическую структуру на соответствующих масштабах

Спасибо за внимание!