2023年2月22日，清華大學朱靜院士團隊聯合復旦大學車仁超教授和北京大學李源副教授在《自然》雜志上發表了題為" Topological spin texture in the pseudogap phase of a high-Tc superconductor" ^[1] 的文章。該研究工作采用賽默飛透射電子顯微鏡（TEM）第一次在贗能隙態YBa₂Cu₃O_6.5材料中發現了拓撲磁渦旋結構的存在。該拓撲磁渦旋結構的發現在實空間微觀尺度上給贗能隙態下的時間反演對稱性破缺提供了的直接圖像證據，并且發現該拓撲磁渦旋結構在電荷密度波態時被破壞，進入到超導態時又重新出現，這一發現對揭示高溫超導的微觀機理具有重大的意義，而先進的透射電子顯微鏡在這一發現上更是功不可沒。朱靜院士，車仁超教授等人深耕于超導材料研究領域，洛倫茲低溫原位透射電鏡研究領域，電子顯微學研究領域多年，取得了一系列重要研究成果。在本研究中，研究團隊利用復旦大學電子顯微鏡實驗室新安裝的Spectra 300透射電子顯微鏡開展低溫洛倫茲樣品測試，獲得了此次重大發現。

2021年，賽默飛上海納米港（Shanghai NanoPort, Thermo Fisher Scientific）有幸參與其中部分實驗工作，在創建冷凍實驗環境和原位數據采集方面積極地配合支持。本文將主要介紹兩種電子顯微學技術——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鍵作用。

洛倫茲透射電鏡（LTEM）

正常TEM光路下，物鏡處于開啟狀態，樣品在物鏡上下極靴中間處于~2T的強磁場中，樣品本征的磁結構會被物鏡的強磁場破壞。為了在無磁環境下觀察樣品本征的磁結構，賽默飛場發射透射電鏡Talos和球差校正透射電鏡Spectra都可以通過關閉物鏡電流使樣品處于零磁場環境，再由位于物鏡下極靴內部的洛倫茲磁透鏡實現對樣品微觀本征磁結構的觀察。LTEM成像模式主要有兩種：Fresnel成像模式和Foucault成像模式。Fresnel成像模式是通過改變圖像的離焦量實現對磁疇或疇壁的觀察。其圖像主要特點是欠焦和過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成像是通過遮擋或者保留后焦面上與磁疇相關的衍射信號來實現（類似于暗場像）, 適用于觀測不同磁化取向的磁疇。圖1a-c分別為該文章中贗能隙態YBa₂Cu₃O_6.5樣品的正焦、過焦以及欠焦下的Fresnel圖像，離焦量為±1.08 mm。其反轉的襯度特點，切實證明了該樣品中存在拓撲學特征的疇結構。此外，賽默飛透射電鏡上的洛倫茲功能不僅可以實現無磁環境，還可以很方便地通過改變物鏡電流來改變磁場，用于原位研究磁結構隨磁場強度的變化。在本研究中，作者通過改變物鏡電流對樣品施加外磁場影響，拓撲學特征消失，進一步證明了該效應是由磁學特性引起的。作者通過使用強度傳遞方程（Transport of Intensity Equation, TIE）的相位重構技術^[2]，對LTEM圖像進行數據處理得到拓撲磁渦旋結構的磁場方向和相對強度分布（圖1d-e, i-l）。圖1m-n是由LTEM結果推測出來的兩種可能的磁渦旋結構示意圖。該文章中LTEM實驗分別在賽默飛Spectra300，Themis和Titan機臺進行了重復驗證，均觀察到拓撲磁渦旋結構。

圖1 （a-c）LTEM Fresnel模式下贗能隙態YBa₂Cu₃O_6.5樣品的正焦、過焦、欠焦圖像（離焦量為±1.08 mm），樣品處于300 K，零磁場環境，標尺為500 nm；（d-e）為通過TIE算法得到的磁場和磁場強度圖像；（f-j）為紅色方框對應的剪裁放大圖像；（k-l）為單個磁渦旋結構的磁場和磁場強度圖；（m-n）為兩種可能的拓撲磁渦旋結構示意圖^[1]

除了常規的LTEM成像外，賽默飛球差校正透射電鏡Spectra系列可以通過物鏡球差校正器對LTEM光軸進行像差校正。像差校正洛倫茲模式下可以得到優于1nm的信息分辨率，從而幫助科研工作者觀察到更小的磁結構。

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于拓撲自旋結構的出現與局域晶體結構之間關系的更多信息。銅基超導材料中氧原子的摻雜或缺失對材料性能具有重要的影響，直接觀察到氧原子的占位對深入揭示材料微觀結構與性能之間的關系具有重大的意義。然而，廣泛使用的掃描透射電鏡（STEM）的高角環形暗場（HAADF）圖像，因其主要接收高角盧瑟福散射信號，導致輕重元素無法同時成像，C、N、O等輕原子無法觀察到。STEM環形明場（ABF）像雖然能觀察到輕元素，但ABF圖像無法直接解讀，而且存在對樣品厚度要求高、圖像信噪比不佳等問題。為了解決以上問題，賽默飛提出并發展了積分差分相位襯度（iDPC）技術。iDPC這一全新STEM成像模式的出現，大大提高了透射電子顯微鏡捕獲原子的能力。iDPC技術具有能實現輕重原子同時成像，能實現低電子劑量，高分辨和高信噪比成像，圖像襯度易解讀等優點^[3]。目前，iDPC技術已成為材料表征領域技術熱點，在表征輕元素占位、二維材料、電子束敏感材料、超導體等領域具有重要的應用。iDPC成像技術現已集成在賽默飛球差校正電鏡Spectra和場發射電鏡Talos上，能實現iDPC圖像的在線采集和顯示。

圖2  (a) YBa₂Cu₃O_6.0， (b) YBa₂Cu₃O_6.5和(c) YBa₂Cu₃O_6.9的原子分辨率iDPC圖像^[1]

圖2為YBa₂Cu₃O_6.0、YBa₂Cu₃O_6.5和YBa₂Cu₃O_6.9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YBa₂Cu₃O_6.5的Cu-O鏈上出現了氧富集和氧缺失的有序排列。作者認為這種氧的有序排列有利于拓撲磁渦旋結構沿c軸自由排列，是觀察磁渦旋結構的最佳區域。作者認為現階段不能排除氧填充鏈激發磁性的可能。

賽默飛將致力于相關電子顯微學技術的研發與應用，為材料的電、磁學性能研究提供更強大的助力。

作者：劉建

參考文獻

[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).