基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜

    磁性材料的显微观测有助于材料的微观结构及其形成机理的研究，随着科研的发展，磁性材料研究的尺度已经趋向于亚微米级甚至纳米级。因此，超高分辨和超高灵敏度的测试有助于对这些极小尺寸的材料进行研究。源自瑞士苏黎世联邦理工大学自旋物理实验室的Qzabre公司，结合多年的NV色心的磁测量技术与扫描成像技术开发出的基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM系统，能够实现高灵敏度和高分辨率的磁学成像，并且可以实现定量的磁学分析，使得它成为下一代扫描探针显微镜——基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜。相比于传统的显微观测设备如克尔显微镜（分辨率~300 nm），磁力显微镜MFM(分辨率~50 nm )，该设备除了拥有优于30 nm的磁学分辨率外，还可以进行样品表面磁场大小的定量测试，而且NV色心作为单自旋探针, 所产生的磁场不会对待测样品有扰动，在磁学显微成像上有着显著的优势。

QSM系统典型应用

√  磁性纳米结构分析

√  铁磁/反铁磁磁畴成像

√  磁畴壁分析

√  电流分布成像

√  纳米尺度的温度测量

√  多铁材料扫描

√  磁场任意波形时间分辨

QSM系统扫描成像原理简介

    金刚石NV色心为金刚石中一个氮原子取代碳原子同临近的空位形成的缺陷，它的电子能级为自旋三重态，其基态ms=0与ms=±1（简并态）存在2.87GHz的零场分裂，在外磁场B作用下，ms=±1解除简并发生分裂。NV色心的自旋状态可通过激光和微波实现操作和探测，通常采用光学探测磁共振（ODMR）的方法测量外加磁场，此时NV色心处于微波作用下，当微波能量刚好等于ms=±1基态电子与ms=0基态电子的能级差时发生共振，此时荧光探测表现为低谷。Ms=+1和Ms=-1基态的能级差为△f=2γB，△f可以通过ODMR谱的两个共振峰谱得出，γ为NV色心的电子旋磁比，γ=28 MHz/mT ，这样可以计算出外磁场B大小。通过扫描探针持续对样品表面的磁场进行探测后，可以得出样品表面的磁场分布成像图。

基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜扫描成像原理示意图

QSM系统主要特点

√  超高磁学分辨率及灵敏度

√  可定量测量样品表面磁场大小及空间分布

√  优化的光学系统获得更大的光通过率

√  多种成像模式

√  交钥匙系统

√  易更换的探针设计

√  矢量磁场选件

QSM系统技术参数

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

√  NV模式：   磁场空间分辨率：30nm~70nm，

                       磁场灵敏度：1-10 μT/Hz^(1/2)，(取决于选用探针)；

√  AFM模式：使用Qzabre探针分辨率~250nm，使用Akiyama探针分辨率＜30nm；

√  MOKE模式：使用极向克尔显微模式快速获取感兴趣区域，视场150μm；

√  扫描范围：90 μm x 90 μm x 15 μm (闭环控制, 0.15nm分辨率)；~6mm粗调（100nm分辨率）；

√  可放置样品大小：25mm直径（标准型），大可到50mm×50mm（定制）；

√  漂移率：6nm/h , 0.3℃温度稳定性；

√  优化光学系统：NA=0.75，＞87% 的光通过率(600~850nm)，比传统的共聚焦系统增加了＞10% 的光通过率；

√  矢量电磁铁选项提供任意方向的矢量场高至75 mT；

√  定制样品托扩展直流或微波连接、加热功能等。

应用案例

■  反铁磁磁畴观测

    反铁磁材料器件拥有电学或光学激发翻转的性能，在新型磁存储上有着潜在的应用前景，本文通过使用基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜研究了电流脉冲注入CuMnAs微器件后弛豫过程中和弛豫后反铁磁畴织构产生的磁杂散场，研究表明大的电阻变化与写入电流脉冲引起的畴的纳米级碎裂有关。通过对具有交叉几何结构的微器件中电流密度分布的成像，进一步证明了电流引起的畴结构的变化是不均匀的。在不同延迟时间获得的磁杂散场图像显示，碎片化的磁畴模式保持着对它们放松的原始状态的记忆。该研究揭示了导致金属反铁磁体电开关的微观机制，并为今后反铁磁自旋电子学领域的研究指明了方向。

参考文献：Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains, M. S. Wörnle, P. Welter, Z. Kašpar, K. Olejník, V. Novák, R. P. Campion, P. Wadley, T. Jungwirth, C. L. Degen, P. Gambardella, arXiv:1912.05287(2019).

■  磁畴壁研究

    通常SOT（自旋轨道力矩）诱导的磁畴翻转强烈依赖于磁畴臂的结构，2019年Saül Vélez等人使用NV色心磁学显微镜来揭示TmIG和TmIG/Pt层的磁畴臂磁化情况。如图4所示，作者对TmIG和TmIG/Pt层进行了磁学显微测试，并对图b中的两个不同位置TmIG/Pt和TmIG区域的磁畴边界d/e进行了磁场扫描，经过同模拟结果对比发现位置d处的磁畴臂处于Left Néel-Bloch中间结构，而到了位置e处的磁畴臂转变成了Left Néel 结构，这些结果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，为稳定中心对称磁性绝缘体中的手性自旋织构提供了可能。

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

■  场成像

    微波场的成像和探测对于未来微波器件的工程以及在原子和固体物理中的应用具有重要意义。例如，利用原子和超导量子比特进行的腔量子电动力学实验，或者量子磁体和量子点的相干控制，都是基于利用微波电场或磁场操纵量子系统。因此，精确控制和了解微波近场的空间分布是获得器件性能的关键。本文通过使用基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜对微波电流产生的磁场空间分布进行了探测。

参考文献：P. Appel, New J. Phys.17(2015)112001

■  斯格明子研究

    “斯格明子(skyrmion)”是一种具有拓扑保护性的准粒子。由于受到拓扑保护，相比于传统的磁存储基本单元（磁畴），磁斯格明子可以被压缩到更小的尺寸，而且具有更高的稳定性；同时，它可以被很低的电流所驱动，因此，被广泛认为是未来实现高速度，高密度，低能耗磁（自旋）存储器件的基本单元。2016年，Y. Dovzhenko等人通过NV色心磁学显微镜对磁性斯格明子表面的磁场进行了测试，重构出表面杂散磁场的分布，对斯格明子的类型具有指导意义。在Bloch 型斯格明子的假定下重构出的磁化分布中，中心处z 方向磁化几乎为零, 也就是磁化方向在面内, 这样的结构无法形成一个完整的斯格明子。而Néel 型假定给出的磁化分布更加符合理论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实验结果. 对一些新颖的磁性斯格明子结构, 如纳米条带的边缘态和双斯格明子,基于NV 色心的磁成像能够为解析其磁化结构提供帮助。

参考文献：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].

■  磁性涡旋结构

    磁性vortex是一种具有手性的磁性结构, 在自旋动力学和磁存储器件等方面有重要研究价值。该研究实验表明，基于NV色心的超分辨磁学显微镜能够与微磁模拟进行强有力的比较，是纳米磁性和更普遍的纳米科学基础研究的有力工具。事实上，直接测量弱磁场，不受扰动，具有纳米级的分辨率，可以解决一些重要的问题，例如垂直各向异性薄膜中磁畴壁的性质，这些磁畴壁控制着薄膜的电流感应运动。

参考文献：Rondin, L., Tetienne, J., Rohart, S. et al. Stray-field imaging of magnetic vortices with a single diamond spin. Nat Commun 4, 2279 (2013).

■  纳米结构中的电流分布测试

    纳米结构和薄膜中的电荷输运是许多科学技术现象和过程的基础，由于这种结构的纳米尺寸和电流的流动性质，直接显示这种结构中的电荷流具有挑战性。本次研究使用基于NV色心的超分辨磁学显微镜对二维导体网络（包括金属纳米线和碳纳米管）中电流密度进行磁成像。在电流密度噪声为∼2×10⁴A/cm²的情况下，对直流电流进行低至几个μA的检测。重建图像的空间分辨率通常为50nm，小为22nm。电流密度成像为研究二维材料和器件中的电子输运和电导变化提供了一条新的途径。

参考文献：Chang et al., Nano Lett. 17 (2017)

■  磁场任意波形时间分辨

    基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜除了进行过空间的磁学分辨外，还可以直接记录与时间相关的磁场，而不需要信号重建。J. Zopes & C. Degen等人使用自旋回波来差分检测波形的短片段，同时获得高的磁场灵敏度(~4μT/Hz1/2)和高的时间分辨率（~20ns），能进行任意波形的检测。可能的应用包括微型射频发射器的现场校准、集成电路中的信号映射检测、脉冲光电流的检测和薄膜中的磁开关等。

参考文献：J. Zopes & C. Degen, Phys. Rev. Appl. 12, 054028 (2019)