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基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡

磁性材料的顯微觀測(cè)有助于材料的微觀結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理的研究,，隨著科研的發(fā)展,，磁性材料研究的尺度已經(jīng)趨向于亞微米級(jí)甚至納米級(jí)。因此,，超高分辨和超高靈敏度的測(cè)試有助于對(duì)這些極小尺寸的材料進(jìn)行研究,。

源自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)自旋物理實(shí)驗(yàn)室的Qzabre公司，結(jié)合多年的NV色心的磁測(cè)量技術(shù)與掃描成像技術(shù)開(kāi)發(fā)出的QSM系統(tǒng),，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度和高分辨率的磁學(xué)成像,，并且可以實(shí)現(xiàn)定量的磁學(xué)分析，使得它成為下一代掃描探針顯微鏡— —基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡,。相比于傳統(tǒng)的顯微觀測(cè)設(shè)備如克爾顯微鏡（分辨率~300 nm）,，磁力顯微鏡MFM(分辨率~50 nm )，該設(shè)備除了擁有優(yōu)于30 nm的磁學(xué)分辨率外,，還可以進(jìn)行樣品表面磁場(chǎng)大小的定量測(cè)試,，而且NV色心作為單自旋探針， 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)待測(cè)樣品有擾動(dòng),，在磁學(xué)顯微成像上有著顯著的優(yōu)勢(shì),。

QSM超分辨量子磁學(xué)顯微鏡-典型應(yīng)用

√ 磁性納米結(jié)構(gòu)分析

√鐵磁/反鐵磁磁疇成像

√ 磁疇壁分析

√電流分布成像

√ 納米尺度的溫度測(cè)量

√ 多鐵材料掃描

√ 磁場(chǎng)任意波形時(shí)間分辨

QSM超分辨量子磁學(xué)顯微鏡-掃描成像原理簡(jiǎn)介

金剛石NV色心為金剛石中一個(gè)氮原子取代碳原子同臨近的空位形成的缺陷，它的電子能級(jí)為自旋三重態(tài),，其基態(tài)ms=0與ms=±1（簡(jiǎn)并態(tài)）存在2.87GHz的零場(chǎng)分裂,，在外磁場(chǎng)B作用下，ms=±1解除簡(jiǎn)并發(fā)生分裂,。NV色心的自旋狀態(tài)可通過(guò)激光和微波實(shí)現(xiàn)操作和探測(cè),，通常采用光學(xué)探測(cè)磁共振（ODMR）的方法測(cè)量外加磁場(chǎng)，此時(shí)NV色心處于微波作用下,，當(dāng)微波能量剛好等于ms=±1基態(tài)電子與ms=0基態(tài)電子的能級(jí)差時(shí)發(fā)生共振,，此時(shí)熒光探測(cè)表現(xiàn)為低谷。Ms=+1和Ms=-1基態(tài)的能級(jí)差為△f=2γB，△f可以通過(guò)ODMR譜的兩個(gè)共振峰譜得出,，γ為NV色心的電子旋磁比,，γ=28 MHz/mT ，這樣可以計(jì)算出外磁場(chǎng)B大小,。通過(guò)掃描探針持續(xù)對(duì)樣品表面的磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)后,，可以得出樣品表面的磁場(chǎng)分布成像圖。

基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡掃描成像原理示意圖

QSM超分辨量子磁學(xué)顯微鏡-主要特點(diǎn)

√ 超高磁學(xué)分辨率及靈敏度

√ 可定量測(cè)量樣品表面磁場(chǎng)大小及空間分布

√ 優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)獲得更大的光通過(guò)率

√ 多種成像模式

√ 交鑰匙系統(tǒng)

√ 易更換的探針設(shè)計(jì)

√ 矢量磁場(chǎng)選件

QSM超分辨量子磁學(xué)顯微鏡-技術(shù)參數(shù)

√ 操作模式： NV 模式,，NV quenching模式,，AFM模式，MOKE模式,；

√ NV模式：磁場(chǎng)空間分辨率：30nm~70nm,，

磁場(chǎng)靈敏度：1-10 μT/Hz^(1/2)，(取決于選用探針),；

√ AFM模式：使用Qzabre探針?lè)直媛蕕250nm,，使用Akiyama探針?lè)直媛剩?0nm；

√ MOKE模式：使用極向克爾顯微模式快速獲取感興趣區(qū)域,，視場(chǎng)150μm,；

√ 掃描范圍：90 μm x 90 μm x 15 μm (閉環(huán)控制， 0.15nm分辨率),；~6mm粗調(diào)（100nm分辨率）,；

√ 可放置樣品大小：25mm直徑（標(biāo)準(zhǔn)型）,，**可到50mm×50mm（定制）,；

√ 漂移率：6nm/h ， 0.3℃溫度穩(wěn)定性,；

√ 優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)：NA=0.75,，＞87% 的光通過(guò)率(600~850nm),，比傳統(tǒng)的共聚焦系統(tǒng)增加了＞10% 的光通過(guò)率,；

√ 矢量電磁鐵選項(xiàng)提供任意方向的矢量場(chǎng)**至75 mT；

√ 定制樣品托擴(kuò)展直流或微波連接,、加熱功能等,。

QSM超分辨量子磁學(xué)顯微鏡-部分應(yīng)用案例

■ 反鐵磁磁疇觀測(cè)

反鐵磁材料器件擁有電學(xué)或光學(xué)激發(fā)翻轉(zhuǎn)的性能，在新型磁存儲(chǔ)上有著潛在的應(yīng)用前景,，本文通過(guò)使用基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡研究了電流脈沖注入CuMnAs微器件后弛豫過(guò)程中和弛豫后反鐵磁疇織構(gòu)產(chǎn)生的磁雜散場(chǎng),，研究表明大的電阻變化與寫(xiě)入電流脈沖引起的疇的納米級(jí)碎裂有關(guān)。通過(guò)對(duì)具有交叉幾何結(jié)構(gòu)的微器件中電流密度分布的成像,，進(jìn)一步證明了電流引起的疇結(jié)構(gòu)的變化是不均勻的,。在不同延遲時(shí)間獲得的磁雜散場(chǎng)圖像顯示，碎片化的磁疇模式保持著對(duì)它們放松的原始狀態(tài)的記憶,。該研究揭示了導(dǎo)致金屬反鐵磁體電開(kāi)關(guān)的微觀機(jī)制,，并為今后反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究指明了方向,。

參考文獻(xiàn)：Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains， M. S. W?rnle,， P. Welter,， Z. Ka?par， K. Olejník,， V. Novák,， R. P. Campion， P. Wadley,， T. Jungwirth,， C. L. Degen， P. Gambardella,， arXiv:1912.05287(2019).

■ 磁疇壁研究

通常SOT（自旋軌道力矩）誘導(dǎo)的磁疇翻轉(zhuǎn)強(qiáng)烈依賴于磁疇臂的結(jié)構(gòu),，2019年Saül Vélez等人使用NV色心磁學(xué)顯微鏡來(lái)揭示TmIG和TmIG/Pt層的磁疇臂磁化情況。如圖所示,，作者對(duì)TmIG和TmIG/Pt層進(jìn)行了磁學(xué)顯微測(cè)試,，并對(duì)圖b中的兩個(gè)不同位置TmIG/Pt和TmIG區(qū)域的磁疇邊界d/e進(jìn)行了磁場(chǎng)掃描，經(jīng)過(guò)同模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)位置d處的磁疇臂處于Left Néel-Bloch中間結(jié)構(gòu),，而到了位置e處的磁疇臂轉(zhuǎn)變成了Left Néel 結(jié)構(gòu),，這些結(jié)果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，為穩(wěn)定中心對(duì)稱磁性絕緣體中的手性自旋織構(gòu)提供了可能,。

參考文獻(xiàn)：Saül Vélez,， et al. High-speed domain wall racetracks in a magnetic insulator. Nature Communications (2019) 10:4750.

■ 場(chǎng)成像

微波場(chǎng)的成像和探測(cè)對(duì)于未來(lái)微波器件的工程以及在原子和固體物理中的應(yīng)用具有重要意義。例如,，利用原子和超導(dǎo)量子比特進(jìn)行的腔量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),，或者量子磁體和量子點(diǎn)的相干控制，都是基于利用微波電場(chǎng)或磁場(chǎng)操縱量子系統(tǒng),。因此,，精確控制和了解微波近場(chǎng)的空間分布是獲得**器件性能的關(guān)鍵。本文通過(guò)使用基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡對(duì)微波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)空間分布進(jìn)行了探測(cè),。

參考文獻(xiàn)：P. Appel,， New J. Phys.17(2015)112001

■ 斯格明子研究

“斯格明子(skyrmion)”是一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性的準(zhǔn)粒子。由于受到拓?fù)浔Ｗo(hù),，相比于傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)基本單元（磁疇）,，磁斯格明子可以被壓縮到更小的尺寸，而且具有更高的穩(wěn)定性,；同時(shí),，它可以被很低的電流所驅(qū)動(dòng)，因此，被廣泛認(rèn)為是未來(lái)實(shí)現(xiàn)高速度,，高密度,，低能耗磁（自旋）存儲(chǔ)器件的基本單元。2016年,，Y. Dovzhenko等人通過(guò)NV色心磁學(xué)顯微鏡對(duì)磁性斯格明子表面的磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,，重構(gòu)出表面雜散磁場(chǎng)的分布，對(duì)斯格明子的類型具有指導(dǎo)意義,。在Bloch 型斯格明子的假定下重構(gòu)出的磁化分布中,，中心處z 方向磁化幾乎為零， 也就是磁化方向在面內(nèi),， 這樣的結(jié)構(gòu)無(wú)法形成一個(gè)完整的斯格明子,。而Néel 型假定給出的磁化分布更加符合理論模型中斯格明子的磁化分布. 因此， Néel 型的斯格明子更加符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 對(duì)一些新穎的磁性斯格明子結(jié)構(gòu),， 如納米條帶的邊緣態(tài)和雙斯格明子,，基于NV 色心的磁成像能夠?yàn)榻馕銎浯呕Y(jié)構(gòu)提供幫助。

參考文獻(xiàn)：Dovzhenko Y,， Casola F,， Schlotter S， Zhou T X,， Büttner F,， Walsworth R L， Beach G S D,， Yacoby A 2016 arXiv:1611.00673 [cond-mat].

■ 磁性渦旋結(jié)構(gòu)研究

磁性vortex是一種具有手性的磁性結(jié)構(gòu),， 在自旋動(dòng)力學(xué)和磁存儲(chǔ)器件等方面有重要研究?jī)r(jià)值。該研究實(shí)驗(yàn)表明,，基于NV色心的超分辨磁學(xué)顯微鏡能夠與微磁模擬進(jìn)行強(qiáng)有力的比較,，是納米磁性和更普遍的納米科學(xué)基礎(chǔ)研究的有力工具。事實(shí)上,，直接測(cè)量弱磁場(chǎng),，不受擾動(dòng)，具有納米級(jí)的分辨率,，可以解決一些重要的問(wèn)題,，例如垂直各向異性薄膜中磁疇壁的性質(zhì),，這些磁疇壁控制著薄膜的電流感應(yīng)運(yùn)動(dòng),。

參考文獻(xiàn)：Rondin， L.,， Tetienne,， J.， Rohart， S. et al. Stray-field imaging of magnetic vortices with a single diamond spin. Nat Commun4,， 2279 (2013).

■ 納米結(jié)構(gòu)中的電流分布測(cè)試

納米結(jié)構(gòu)和薄膜中的電荷輸運(yùn)是許多科學(xué)技術(shù)現(xiàn)象和過(guò)程的基礎(chǔ),，由于這種結(jié)構(gòu)的納米尺寸和電流的流動(dòng)性質(zhì)，直接顯示這種結(jié)構(gòu)中的電荷流具有挑戰(zhàn)性,。本次研究使用基于NV色心的超分辨磁學(xué)顯微鏡對(duì)二維導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)（包括金屬納米線和碳納米管）中電流密度進(jìn)行磁成像,。在電流密度噪聲為～2×10⁴A/cm²的情況下，對(duì)直流電流進(jìn)行低至幾個(gè)μA的檢測(cè),。重建圖像的空間分辨率通常為50nm,，*小為22nm。電流密度成像為研究二維材料和器件中的電子輸運(yùn)和電導(dǎo)變化提供了一條新的途徑,。

參考文獻(xiàn)：Chang et al.,， Nano Lett. 17 (2017)

■ 磁場(chǎng)任意波形時(shí)間分辨

基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡除了進(jìn)行過(guò)空間的磁學(xué)分辨外，還可以直接記錄與時(shí)間相關(guān)的磁場(chǎng),，而不需要信號(hào)重建,。J. Zopes & C. Degen等人使用自旋回波來(lái)差分檢測(cè)波形的短片段，同時(shí)獲得高的磁場(chǎng)靈敏度(~4μT/Hz1/2)和高的時(shí)間分辨率（~20ns）,，能進(jìn)行任意波形的檢測(cè),。可能的應(yīng)用包括微型射頻發(fā)射器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn),、集成電路中的信號(hào)映射檢測(cè),、脈沖光電流的檢測(cè)和薄膜中的磁開(kāi)關(guān)等。

參考文獻(xiàn)：J. Zopes & C. Degen,， Phys. Rev. Appl. 12,， 054028 (2019)