新闻和活动

很多关键科学问题，是藏在看不见的磁场中。二维材料里的磁畴如何分布？芯片内部的电流是否异常？一片岩石中，哪些矿物真正记录了远古地磁？量子钻石显微镜（Quantum Diamond Microscope, QDM）正在把这些“不可见信号”，变成可定位、可成像、可定量分析的磁场图像。

 

QDM 是什么：用钻石把磁场“拍出来”

 

QDM 的核心是一片含有近表面 NV 色心的金刚石传感器，532 nm 激光用于初始化和读出 NV 荧光，微波用于驱动NV色心能级共振跃迁；当磁性样品靠近金刚石时，由于塞曼效应，NV能级发生移动，ODMR （光探测磁共振）共振频率随之变化。相机同步记录整个视野内的 NV 荧光信号，就可以重建二维磁场分布。QDM尤其适合那些磁信号弱、空间分布不均匀、又需要无损观察的样品。

 

图1 QDM 典型装置示意：激光、微波、物镜、相机与金刚石 NV 传感芯片共同完成宽场磁成像。

 

应用一：二维材料，把“磁性与电流”从曲线变成图像

 

二维材料研究常常面临一个难题：宏观电输运或磁化曲线可以告诉我们“有变化”，但很难直接告诉我们“变化发生在哪里”。QDM 的价值正在于把局域磁场、电流分布和磁畴结构可视化。

 

在石墨烯 Dirac 流体研究中，研究者通过 NV 磁成像测量电流产生的杂散磁场，并反演局域电流密度，直接区分普通欧姆输运与具有抛物线特征的黏滞“狄拉克”流¹。这说明 QDM 不只是“测磁场”，还可以帮助理解低维电子体系中的集体输运行为。

 

图2 石墨烯中电流产生的磁场与反演电流密度：QDM/NV 磁成像可直接观察局域电流分布。

 

在二维室温分子铁磁体研究中，层间限域分子组装策略构建了 Co(Cp)₂-TaS₂ 等二维分子铁磁体系。国仪量子 QDM 对样品进行了室温磁场成像，直接观察到正负杂散磁场分布与磁畴结构，为“室温二维铁磁性”的判断提供了空间分辨证据²。《JACS》室温下，我们"看见"了二维分子磁畴因此，在二维磁性、分子磁体、自旋电子学材料等方向，QDM 可以回答一个关键问题：磁性到底来自哪里？是本征有序、局部缺陷，还是杂质贡献。

 

图3 二维分子铁磁体的 QDM 成像：从光学形貌到磁场分布，局域磁畴被直接可视化。（测试仪器：国仪量子QDM）

 

应用二：芯片检测，不拆芯片也能追踪电流路径

 

电流流动会产生奥斯特磁场。QDM 通过测量芯片表面附近的矢量磁场，再结合毕奥萨伐尔定律反演，就可以获得电流密度分布。相比只看电学端口数据，这种方法可以把“异常电流在哪里”直接呈现在图像中。在集成电路活动三维成像案例中，近表面 NV 色心被用于探测多层 IC 内电流产生的磁场。研究者在室温下实现了亚微米尺度的电流密度重建，并区分不同层中的电流贡献，进一步发现异常电流路径³。这为先进封装、多层互连、漏电与失效分析提供了新的无损检测思路。

 

图4 芯片电流成像案例：不同器件的矢量磁场图与反演电流密度图，可用于识别异常电流行为。

 

对产业检测而言，QDM 的潜在价值不是替代所有失效分析手段，而是提供一种非接触、无损、空间分辨的补充工具：先用磁成像定位，再结合电学、热学和显微分析进一步确认失效机制。 

 

芯片中电流路径分布。（测试仪器：国仪量子QDM）

 

应用三：地质与古地磁，从微小矿物中读取地球记忆

 

对地球科学而言，许多关键信息都藏在磁性矿物里。问题在于，传统岩石磁学或古地磁方法往往给出的是毫米到厘米尺度的整体平均信号，而 QDM 能把视角推进到微米级，让研究者看到“哪一层、哪一颗粒”真正贡献了磁记录。

 

在环境磁学与古环境研究中，研究人员将 QDM 用于巴西热带石笋样品 ALHO6，覆盖约 174 年时间窗口，并实现年到亚年分辨率的磁场成像⁴。结果显示，磁性颗粒主要富集在 10~100 μm 的细薄层中；结合层理、氧碳同位素和回场实验，这些磁信号可用于识别碎屑输入变化与干旱事件。

 

图5 石笋样品的 QDM 成像与时间序列对比：QDM 可将层理中的局域磁信号转换为高分辨率古环境信息。

 

此外，海洋二所研究人员利用QDM对海底块状硫化物样品进行室温磁场成像，识别局域强磁异常区域，再结合 SEM/EDX 分析，判断磁性来源是还原环境形成的磁性硫化物，还是氧化风化产生的铁氧化物，从而揭示磁性特征与氧化还原状态之间的关系⁵。

 

QDM 的价值，是把隐藏磁场变成可用信息

 

从二维材料到芯片检测，再到地质与古地磁，QDM 连接的是同一个底层能力：把微弱、局域、原本不可见的磁场，转化为可视化、可定量、可进一步反演的数据。当一块钻石被赋予量子传感能力，它就不再只是坚硬、透明、闪耀的材料，而成为一只能够看见磁场的“量子之眼”。

 

1. Ku, M. J. H. et al. Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene. Nature 583, 537–541 (2020).

2. Liu, Y. et al. Interlayer-Confined Molecular Assembly Enables a Family of Two-Dimensional Room-Temperature Ferromagnets. J. Am. Chem. Soc. 148, 13689–13697 (2026).

3. Garsi, M. et al. Three-dimensional imaging of integrated-circuit activity using quantum defects in diamond. Phys. Rev. Appl. 21, 014055 (2024).

4. Fu, R. R. et al. High-Resolution Environmental Magnetism Using the Quantum Diamond Microscope (QDM): Application to a Tropical Speleothem. Front. Earth Sci. 8, 604505 (2021).

5. Wang, S. et al. Redox Sensitive Mineral Magnetic Signatures of Seafloor Massive Sulfide Deposits. J. Geophys. Res. Solid Earth 129, e2024JB029072 (2024). 

 

诚邀体验 纳米级磁成像系统

 

国仪量子诚邀您体验宽场NV显微镜（QDM）——全球领先的纳米级磁场成像系统，磁空间分辨率达900 nm，磁灵敏度5 μT/Hz^1/2，视野1mm×1mm。

 

 

国仪量子具有丰富的样品测试经验，支持现场考察和免费测样。如您有相关样品测试需求，欢迎邮件联系工程师（sunh@ciqtek.com）。