基于NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡

磁性材料的顯微觀測有助于材料的微觀結構及其形成機理的研究，隨著科研的發展，磁性材料研究的尺度已經趨向于亞微米甚至納米。因此，超高分辨和超高靈敏度的測試有助于對這些小尺寸的材料進行研究。源自瑞士蘇黎世聯邦理工大學自旋物理實驗室的Qzabre公司，結合多年的NV色心的磁測量技術與掃描成像技術開發出的基于NV色心的超分辨量子磁學顯微QSM系統，能夠實現高靈敏度和高分辨率的磁學成像，并且可以實現定量的磁學分析，使得它成為下代掃描探針顯微鏡——基于NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡。相比于傳統的顯微觀測設備如克爾顯微鏡（分辨率~300 nm），磁力顯微鏡MFM(分辨率~50 nm )，該設備除了擁有于30 nm的磁學分辨率外，還可以進行樣品表面磁場大小的定量測試，而且NV色心作為單自旋探針, 所產生的磁場不會對待測樣品有擾動，在磁學顯微成像上有著顯著的勢。

QSM系統典型應用

√  磁性納米結構分析

√  鐵磁/反鐵磁磁疇成像

√  磁疇壁分析

√  電流分布成像

√  納米尺度的溫度測量

√  多鐵材料掃描

√  磁場任意波形時間分辨

QSM系統掃描成像原理簡介

金剛石NV色心為金剛石中個氮原子取代碳原子同臨近的空位形成的缺陷，它的電子能為自旋三重態，其基態ms=0與ms=±1（簡并態）存在2.87GHz的零場分裂，在外磁場B作用下，ms=±1解除簡并發生分裂。NV色心的自旋狀態可通過激光和微波實現操作和探測，通常采用光學探測磁共振（ODMR）的方法測量外加磁場，此時NV色心處于微波作用下，當微波能量剛好等于ms=±1基態電子與ms=0基態電子的能差時發生共振，此時熒光探測表現為低谷。Ms=+1和Ms=-1基態的能差為△f=2γB，△f可以通過ODMR譜的兩個共振峰譜得出，γ為NV色心的電子旋磁比，γ=28 MHz/mT ，這樣可以計算出外磁場B大小。通過掃描探針持續對樣品表面的磁場進行探測后，可以得出樣品表面的磁場分布成像圖。

基于NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡掃描成像原理示意圖

QSM系統主要點

√  超高磁學分辨率及靈敏度

√  可定量測量樣品表面磁場大小及空間分布

√  化的光學系統獲得更大的光通過率

√  多種成像模式

√  交鑰匙系統

√  易更換的探針設計

√  矢量磁場選件

QSM系統技術參數

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

√  NV模式：   磁場空間分辨率：30nm~70nm，

磁場靈敏度：1-10 μT/Hz^(1/2)，(取決于選用探針)；

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

√  MOKE模式：使用向克爾顯微模式快速獲取感興趣區域，視場150μm；

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

√  可放置樣品大?。?5mm直徑（標準型），大可到50mm×50mm（定制）；

√  漂移率：6nm/h , 0.3℃溫度穩定性；

√  化光學系統：NA=0.75，＞87% 的光通過率(600~850nm)，比傳統的共聚焦系統增加了＞10% 的光通過率；

√  矢量電磁鐵選項提供任意方向的矢量場高至75 mT；

√  定制樣品托擴展直流或微波連接、加熱功能等。

應用案例

■  反鐵磁磁疇觀測

反鐵磁材料器件擁有電學或光學激發翻轉的性能，在新型磁存儲上有著潛在的應用前景，本文通過使用基于NV色心的超分辨量子磁學顯微研究了電流脈沖注入CuMnAs微器件后弛豫過程中和弛豫后反鐵磁疇織構產生的磁雜散場，研究表明大的電阻變化與寫入電流脈沖引起的疇的納米碎裂有關。通過對具有交叉幾何結構的微器件中電流密度分布的成像，進步證明了電流引起的疇結構的變化是不均勻的。在不同延遲時間獲得的磁雜散場圖像顯示，碎片化的磁疇模式保持著對它們放松的原始狀態的記憶。該研究揭示了導致金屬反鐵磁體電開關的微觀機制，并為今后反鐵磁自旋電子學域的研究指明了方向。

參考文獻：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）誘導的磁疇翻轉強烈依賴于磁疇臂的結構，2019年Saül Vélez等人使用NV色心磁學顯微鏡來揭示TmIG和TmIG/Pt層的磁疇臂磁化情況。如圖4所示，作者對TmIG和TmIG/Pt層進行了磁學顯微測試，并對圖b中的兩個不同位置TmIG/Pt和TmIG區域的磁疇邊界d/e進行了磁場掃描，經過同模擬結果對比發現位置d處的磁疇臂處于Left Néel-Bloch中間結構，而到了位置e處的磁疇臂轉變成了Left Néel 結構，這些結果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，為穩定中心對稱磁性緣體中的手性自旋織構提供了可能。

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

■  場成像

微波場的成像和探測對于未來微波器件的工程以及在原子和固體物理中的應用具有重要意義。例如，用原子和超導量子比進行的腔量子電動力學實驗，或者量子磁體和量子點的相干控制，都是基于用微波電場或磁場操縱量子系統。因此，精確控制和了解微波近場的空間分布是獲得器件性能的關鍵。本文通過使用基于NV色心的超分辨量子磁學顯微對微波電流產生的磁場空間分布進行了探測。

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

■  斯格明子研究

“斯格明子(skyrmion)"是種具有拓撲保護性的準粒子。由于受到拓撲保護，相比于傳統的磁存儲基本單元（磁疇），磁斯格明子可以被壓縮到更小的尺寸，而且具有更高的穩定性；同時，它可以被很低的電流所驅動，因此，被廣泛認為是未來實現高速度，高密度，低能耗磁（自旋）存儲器件的基本單元。2016年，Y. Dovzhenko等人通過NV色心磁學顯微鏡對磁性斯格明子表面的磁場進行了測試，重構出表面雜散磁場的分布，對斯格明子的類型具有指導意義。在Bloch 型斯格明子的假定下重構出的磁化分布中，中心處z 方向磁化幾乎為零, 也就是磁化方向在面內, 這樣的結構無法形成個完整的斯格明子。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驗結果. 對些新穎的磁性斯格明子結構, 如納米條帶的邊緣態和雙斯格明子,基于NV 色心的磁成像能夠為解析其磁化結構提供幫助。

參考文獻：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].

■  磁性渦旋結構

磁性vortex是種具有手性的磁性結構, 在自旋動力學和磁存儲器件等方面有重要研究價值。該研究實驗表明，基于NV色心的超分辨磁學顯微鏡能夠與微磁模擬進行強有力的比較，是納米磁性和更普遍的納米科學基礎研究的有力工具。事實上，直接測量弱磁場，不受擾動，具有納米的分辨率，可以解決些重要的問題，例如垂直各向異性薄膜中磁疇壁的性質，這些磁疇壁控制著薄膜的電流感應運動。

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

■  納米結構中的電流分布測試

納米結構和薄膜中的電荷輸運是許多科學技術現象和過程的基礎，由于這種結構的納米尺寸和電流的流動性質，直接顯示這種結構中的電荷流具有挑戰性。本次研究使用基于NV色心的超分辨磁學顯微鏡對二維導體網絡（包括金屬納米線和碳納米管）中電流密度進行磁成像。在電流密度噪聲為～2×104A/cm2的情況下，對直流電流進行低至幾個μA的檢測。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和電導變化提供了條新的途徑。

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

■  磁場任意波形時間分辨

除了進行過空間的磁學分辨外，還可以直接記錄與時間相關的磁場，而不需要信號重建。J. Zopes & C. Degen等人使用自旋回波來差分檢測波形的短片段，同時獲得高的磁場靈敏度(~4μT/Hz1/2)和高的時間分辨率（~20ns），能進行任意波形的檢測?？赡艿膽冒ㄎ⑿蜕漕l發射器的現場校準、集成電路中的信號映射檢測、脈沖光電流的檢測和薄膜中的磁開關等。

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