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)趨向于亞微米甚至納米。因此，超高分辨和超高靈敏度的測(cè)試有助于對(duì)這些小尺寸的材料進(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)出的基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微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勢(shì)。

QSM系統(tǒng)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系統(tǒng)掃描成像原理簡(jiǎn)介

金剛石NV色心為金剛石中個(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系統(tǒng)主要點(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

√  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系統(tǒng)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），大可到50mm×50mm（定制）；

√  漂移率：6nm/h , 0.3℃溫度穩(wěn)定性；

√  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)高至75 mT；

√  定制樣品托擴(kuò)展直流或微波連接、加熱功能等。

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)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)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(lài)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4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(chēng)磁性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，用原子和超導(dǎo)量子比進(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(lèi)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)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)

磁性vortex是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)，具有納米的分辨率，可以解決些重要的問(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 Commun 4, 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

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)?？赡艿膽?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)