Nature nanotechnology最新報道：單自旋量子傳感器實現超低溫納米磁性掃描探針成像

【背景介紹】

凝聚態物質體系的磁性常常伴隨著奇特的電子相，正是這些電子相發展出了很多先進科技。比如，高溫超導體中的渦流，氧化物絕緣體界面的鐵磁性和螺旋磁體中的斯格米子相。用于研究凝聚態物質體系的磁學性質的實驗工具分為兩類，一類是真實空間成像技術，包括磁力顯微鏡（MFM），掃描超導量子界面器件（SQUIDs）和洛倫茨透射電子顯微鏡（TEM）；另一類是倒格矢空間成像技術，比如中子散射。這些實驗工具促進了凝聚態物質體系的磁性研究進展。然而，現有的這些技術都存在測量限制。因此，發展一項無損高靈敏磁性檢測技術是很有意義的。

金剛石中的氮空位缺陷（NV）中心是一個很有代表性的單自旋系統，其獨特的量子性質可以被應用到量子信息，量子光學和量子測量等領域。其中，最具影響力的應用是低溫掃描磁力測量，利用NV中心的精細磁場靈敏度和固有原子尺度實現高分辨成像。目前，科學家已經研究出了基于NV中心的掃描磁力測量儀器，但是僅僅局限于室溫環境操作。然而，NV中心的高靈敏性覆蓋了從低溫到室溫以上的溫度范圍。因此，如果實現低溫NV掃描磁力測量，將對于研究低溫下固態物質的磁相轉變很有幫助。

【文章亮點】

近日，美國加州大學Ania C. Bleszynski Jayich等人研究出了可以在6K低溫下工作的NV掃描磁力計，具有小于100納米的空間分辨率和3μT Hz?(–1/2)的 場靈敏性。憑借在超低溫下出色的空間分辨率和靈敏性，這項技術打破了研究超低溫凝聚態物質現象的技術壁壘。

【單自旋顯微鏡】

圖1 低溫NV掃描探針磁力測定。a，NV中心尖端和金剛石懸臂的掃描探針示意圖，懸臂包含了一個尖端陣列，工作的時候，只有一個尖端被選擇成像。NV中心和樣品都被封裝在封閉循環6K低溫恒溫器中，一束532nm激光聚焦在NV中心，發出的熒光包含了樣品的雜散磁場信息；b，6K低溫下，硬盤字節的NV磁力測量成像；c，6K低溫下，超導BaFe2(As0.7P0.3)2中渦流的NV磁力測量成像。

【探針設計和制備】

單片金剛石探針選擇吸附在硅AFM尖端的金剛石納米晶。由于塊狀金剛石襯底可以提供超相干性，因此，大約100個這樣的懸臂可以在100方向2*2nm的金剛石襯底上制備。立柱是使用Ti硬模板和氧刻蝕的納米壓印技術制備而成。

圖2 單晶金剛石AFM探針。a, 一個典型的用于磁力測量的金剛石懸臂的SEM圖像，一個完整的懸臂尺寸為150*20*3 μm，每個立柱平均一個NV中心，比例尺為1 μm；b, 一個懸臂上的立柱陣列的共焦顯微成像，大多數立柱都產生了NV熒光。

【低溫磁性成像】

對于NV磁力計，作者使用了兩種互補性的成像模式，并對兩種模式進行了比較（如圖3）。圖中的數據均來自于6K低溫的一個硬盤樣品，圖中的每一個點代表樣品對應每一點的磁場強度，是通過NV中心對樣品的完整電子自旋共振(ESR)響應獲得的。第一種方法（如圖3.a），通過測量兩個ESR峰之間的頻率分裂Δf，根據公式Δf = 2γ|BNV|（γ為NV電子自旋的回旋磁比），可以得到沿NV軸的磁場強度BNV。第二種成像方法叫做等高線成像法，通過測量RF激勵頻率fRF ，根據公式Bc = γ( fRF–fZFS)，可以得到對應的磁場等高線Bc。

圖3 磁性測量方法的比較

圖4 在6K低溫下，鐵磷屬化合物超導體BaFe2(As0.7P0.3)2的渦流NV磁性測量

【結論】

Ania C. Bleszynski Jayich等人首次實現了低溫NV掃描磁性成像，其突出的空間分辨率和靈敏性使得人們可以更為清晰地研究低溫下凝聚態物質體系的磁學性質，比如探測高臨界溫度超導體的時間反演對稱破缺態的存在。

【備注】

該研究成果近期發表在Nature Nanotechnology (IF:34.048) 上，文獻鏈接：Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at?cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor。

本文由材料人編輯部學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

歡迎加入材料人科普團隊，一起進行材料頂刊學術動態的跟蹤和報道以及SCI相關知識科普等。加入方式：（1）加入材料人文獻檢索群（410109144），私信管理員“成都-小小（QQ:763044722）”報名；（2）點此處報名。