Nei microscopi elettronici convenzionali, eseguire osservazioni a risoluzione atomica di materiali magnetici è particolarmente difficile perché i campi magnetici elevati sono inevitabilmente esercitati sui campioni all'interno della lente dell'obiettivo magnetico. Il sistema di lenti magnetiche di nuova concezione fornisce un ambiente privo di campi magnetici nella posizione del campione. Ciò consente di dirigere, imaging con risoluzione atomica di materiali magnetici come gli acciai al silicio. Questo nuovo microscopio elettronico dovrebbe essere ampiamente utilizzato per la ricerca e lo sviluppo di materiali magnetici avanzati.

Nell'ambito del programma JST-SENTAN (Sviluppo di sistemi e tecnologie per misurazioni e analisi avanzate, Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia), il team di sviluppo congiunto del Prof. Naoya Shibata presso l'Università di Tokyo e JEOL Ltd., ha sviluppato un rivoluzionario microscopio elettronico che incorpora obiettivi magnetici di nuova concezione, e raggiunto direttamente, imaging con risoluzione atomica di materiali con risoluzione spaziale sub-Å, con un campo magnetico residuo inferiore a 0,2 mT nella posizione del campione. Al meglio delle nostre conoscenze, questa è la prima volta che un tale obiettivo è stato raggiunto.

Negli 88 anni dall'invenzione del microscopio elettronico a trasmissione (TEM) nel 1931, i ricercatori hanno continuamente perseguito una migliore risoluzione spaziale. La progettazione di obiettivi magnetici con coefficienti di aberrazione dell'obiettivo più piccoli è stata necessaria, e i sistemi di lenti per la correzione dell'aberrazione per la scansione TEM (STEM) hanno raggiunto una risoluzione spaziale sub-Å.

Uno svantaggio critico degli attuali sistemi di lenti-obiettivo-condensatore magnetico per TEM/STEM a risoluzione atomica è che i campioni devono essere inseriti in campi magnetici molto elevati fino a 2-3 T. Tali campi elevati possono ostacolare gravemente l'imaging a risoluzione atomica di molti importanti materiali magnetici morbidi/duri, come l'acciaio al silicio, perché il campo forte può alterare notevolmente, o addirittura distruggere, la struttura magnetica e talvolta fisica del materiale. Recentemente, lo sviluppo di nuovi materiali magnetici è avanzato rapidamente. Poiché l'analisi strutturale su scala atomica è fondamentale per la suddetta tecnologia, una soluzione a questo problema è stata richiesta a lungo.

Il team congiunto ha sviluppato un nuovo sistema di obiettivi senza campo magnetico, contenente due lenti rotonde posizionate in una esatta configurazione speculare rispetto al piano campione. Questo nuovo sistema di lenti fornisce campi magnetici residui estremamente piccoli nella posizione del campione posizionando le lenti dell'obiettivo anteriore/posteriore fortemente eccitate abbastanza vicino al campione per ottenere la condizione di lunghezza focale ridotta indispensabile per l'imaging a risoluzione atomica. Di conseguenza, i campi magnetici residui generati vicino al centro del campione sono molto <0,2 mT, che è 10, 000 volte inferiore al valore degli obiettivi magnetici convenzionali utilizzati per l'imaging TEM/STEM a risoluzione atomica.

Il team congiunto ha utilizzato questo nuovo sistema per osservare la struttura atomica di un foglio di acciaio al silicio a grani orientati, che è uno dei più importanti materiali di ingegneria magnetica morbida. Questo foglio viene utilizzato come materiale di base per trasformatori elettrici e motori, e la sua caratterizzazione a risoluzione atomica dei singoli difetti è stata a lungo cercata. Utilizzando il sistema di lenti di nuova concezione, la struttura atomica risolta dell'acciaio al silicio è stata chiaramente osservata, e diretto, l'imaging a risoluzione atomica in un ambiente privo di campo magnetico è stato realizzato per la microscopia elettronica, consentendo una caratterizzazione strutturale a livello atomico senza precedenti dei materiali magnetici.

Il microscopio elettronico di nuova concezione può essere utilizzato allo stesso modo di quello dei TEM/STEM convenzionali. Si prevede che promuoverà un'ulteriore sostanziale ricerca e sviluppo in vari campi delle nanotecnologie.