Nature nanotechnology最新报道：单自旋量子传感器实现超低温纳米磁性扫描探针成像

【背景介绍】

凝聚态物质体系的磁性常常伴随着奇特的电子相，正是这些电子相发展出了很多先进科技。比如，高温超导体中的涡流，氧化物绝缘体界面的铁磁性和螺旋磁体中的斯格米子相。用于研究凝聚态物质体系的磁学性质的实验工具分为两类，一类是真实空间成像技术，包括磁力显微镜（MFM），扫描超导量子界面器件（SQUIDs）和洛伦茨透射电子显微镜（TEM）；另一类是倒格矢空间成像技术，比如中子散射。这些实验工具促进了凝聚态物质体系的磁性研究进展。然而，现有的这些技术都存在测量限制。因此，发展一项无损高灵敏磁性检测技术是很有意义的。

金刚石中的氮空位缺陷（NV）中心是一个很有代表性的单自旋系统，其独特的量子性质可以被应用到量子信息，量子光学和量子测量等领域。其中，最具影响力的应用是低温扫描磁力测量，利用NV中心的精细磁场灵敏度和固有原子尺度实现高分辨成像。目前，科学家已经研究出了基于NV中心的扫描磁力测量仪器，但是仅仅局限于室温环境操作。然而，NV中心的高灵敏性覆盖了从低温到室温以上的温度范围。因此，如果实现低温NV扫描磁力测量，将对于研究低温下固态物质的磁相转变很有帮助。

【文章亮点】

近日，美国加州大学Ania C. Bleszynski Jayich等人研究出了可以在6K低温下工作的NV扫描磁力计，具有小于100纳米的空间分辨率和3µT Hzˆ(–1/2)的 场灵敏性。凭借在超低温下出色的空间分辨率和灵敏性，这项技术打破了研究超低温凝聚态物质现象的技术壁垒。

【单自旋显微镜】

图1 低温NV扫描探针磁力测定。a，NV中心尖端和金刚石悬臂的扫描探针示意图，悬臂包含了一个尖端阵列，工作的时候，只有一个尖端被选择成像。NV中心和样品都被封装在封闭循环6K低温恒温器中，一束532nm激光聚焦在NV中心，发出的荧光包含了样品的杂散磁场信息；b，6K低温下，硬盘字节的NV磁力测量成像；c，6K低温下，超导BaFe2(As0.7P0.3)2中涡流的NV磁力测量成像。

【探针设计和制备】

单片金刚石探针选择吸附在硅AFM尖端的金刚石纳米晶。由于块状金刚石衬底可以提供超相干性，因此，大约100个这样的悬臂可以在100方向2*2nm的金刚石衬底上制备。立柱是使用Ti硬模板和氧刻蚀的纳米压印技术制备而成。

图2 单晶金刚石AFM探针。a, 一个典型的用于磁力测量的金刚石悬臂的SEM图像，一个完整的悬臂尺寸为150*20*3 µm，每个立柱平均一个NV中心，比例尺为1 µm；b, 一个悬臂上的立柱阵列的共焦显微成像，大多数立柱都产生了NV荧光。

【低温磁性成像】

对于NV磁力计，作者使用了两种互补性的成像模式，并对两种模式进行了比较（如图3）。图中的数据均来自于6K低温的一个硬盘样品，图中的每一个点代表样品对应每一点的磁场强度，是通过NV中心对样品的完整电子自旋共振(ESR)响应获得的。第一种方法（如图3.a），通过测量两个ESR峰之间的频率分裂Δf，根据公式Δf = 2γ|BNV|（γ为NV电子自旋的回旋磁比），可以得到沿NV轴的磁场强度BNV。第二种成像方法叫做等高线成像法，通过测量RF激励频率fRF ，根据公式Bc = γ( fRF–fZFS)，可以得到对应的磁场等高线Bc。

图3 磁性测量方法的比较

图4 在6K低温下，铁磷属化合物超导体BaFe2(As0.7P0.3)2的涡流NV磁性测量

【结论】

Ania C. Bleszynski Jayich等人首次实现了低温NV扫描磁性成像，其突出的空间分辨率和灵敏性使得人们可以更为清晰地研究低温下凝聚态物质体系的磁学性质，比如探测高临界温度超导体的时间反演对称破缺态的存在。

【备注】

该研究成果近期发表在Nature Nanotechnology (IF:34.048) 上，文献链接：Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor。

本文由材料人编辑部学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

欢迎加入材料人科普团队，一起进行材料顶刊学术动态的跟踪和报道以及SCI相关知识科普等。加入方式：（1）加入材料人文献检索群（410109144），私信管理员“成都-小小（QQ:763044722）”报名；（2）点此处报名。