Institutionen för fysik och astronomi

Magnetiska mätningar med subnanometers precision

Jan Rusz. Foto: Camilla Thulin.

Projekttitel: Magnetiska mätningar med subnanometers precision
Huvudsökande: Jan Rusz, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 600 000 för perioden 2017-2021

Projektbeskrivning

Ett elektronmikroskop är en fascinerande apparat. Den tillåter oss att se saker som är för små för våra egna ögon. Och inte bara det, den tillåter oss även att se saker som är för små för optiska mikroskop, exempelvis atomer. Men fysikens lagar på så små skalor är annorlunda än den klassiska fysiken, och kvantfysikens effekter träder in. Om vi ska förstå hur en elektron interagerar med ett prov det passerar genom, måste vi ty oss till kvantfysikens lagar. Dessa tillåter oss att med datorsimuleringar förutsäga hur elektronmikroskopbilder kommer att se ut i verkligheten. Sådana beräkningar och simuleringar hjälper oss att tolka de uppmätta bilderna. Teori spelar därmed en viktig roll inom fältet för elektronmikroskopi.

De flesta elektroner som passerar genom provet behåller nästan all deras kinetiska energi, förutom att de ger en liten "kick" till atomerna. Men några av elektronerna förlorar mer energi än så. Exempelvis kan de sparka bort en elektron från sin atom. Genom att mäta energiförlusten som elektroner råkar ut för, kan vi få en hel del information om kemiska bindningar, typer av atomer som finns i provet och även en hel del om atomernas magnetiska egenskaper. Det är magnetiska egenskaper som projektet mest fokuserar på.

Magnetiska material används i energiomvandling, i leviterande tåg, i bromsar, i datorer, etc. De används mer och mer i nanoteknologi, till exempel hårddiskarna i våra datorer använder små magnetiska öar för att lagra data. De kan vara mindre än 20 nm i diameter (4000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå). Sådana magnetiska nanopartiklar används också i kemisk katalys, borttagande av tunga grundämnen från avfallsvatten, experimentella cancerbehandlingar och många andra tillämpningsområden. För att förbättra deras egenskaper tillämpningar, måste vi ha pålitliga metoder att studera dem.

Elektronmikroskop verkar väl användbara för detta ändamål. Men det har sina utmaningar. Eftersom nanopartiklars magnetiska signaler är svaga har vi ännu inte lyckats mäta deras magnetiska egenskaper på nanometers skala. Men vi har en idé om hur man kan ändra på det. För att göra det behöver vi två saker: 1) tvinga så många elektroner som möjligt att bära en magnetisk signal, 2) sätta upp detektorn i mikroskopet så att vi fångar så många elektroner som det bara går. Innan det här projektet påbörjades gjorde vi många datorsimuleringar och nu har vi en lovande bild av hur de två problemen bör hanteras. Exempelvis kan man vrida elektronstrålen så att den blir mer känslig för magnetisk  påverkan. Inte förrän nu har man kunnat testa den här idén här rent praktiskt. Med utvecklingen av aberrationskorrektur, elektronmikroskopets egna glasögon, har det äntligen blivit möjligt.

Vi vill hitta det optimala sättet att använda sig av elektronmikroskop så att den magnetiska signalen är tydlig och stark, och som tillåter oss att upplösa magnetiska egenskaper av individuella atomkolumner. Våra experimentellt lagda kollegor skall testa dessa idéer i praktiken. Vi är  övertygade om att vi snart kommer förverkliga det ultimata målet och slutligen nå atomupplösning i studier av nanopartiklars magnetiska egenskaper. Det må vara en tuff utmaning, men det hindrar inte oss. Det här är vår vision -- en vision vi tänker förvandla till verklighet med vårt projekt.