测磁学领域新突破 量子钻石原子力显微镜拓宽测磁新边界
发布时间 : 2019/09/30 阅读次数 : 190

从最早的指南针到霍尔片,磁场测量一直在生活、科研、工业应用等领域起着至关重要的作用。

精密磁场成像

人们为了达到更高的灵敏度,超导量子干涉仪芯片SQUID、原子蒸气单元、核磁共振磁等物理学效应相继被用到磁场探测中来。尽管如此,测磁学仍然面临巨大的挑战。


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地球磁场无处不在


如今,人们迫切需要一种能够进行高空间分辨率、高灵敏度并且能够对样品表面以下探测和成像的探头,来研究单个细胞、蛋白质、DNA或进行单分子识别、单原子核磁共振等。


在保证高灵敏度的前提下,传统的测磁芯片很难获得高的空间分辨率,或者缩短与微观样品的距离。而对于一些可以达到高分辨率的系统,其工作条件都要求超低温和高真空,难以对活体细胞、病毒等进行成像。可以在室温大气下成像的原子力显微镜、扫描隧道显微镜等能够对样品表面形貌进行成像,但无法进行表面磁场的成像。



基于NV色心的量子精密测量



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金刚石中氮-空位(NV)色心原子结构和室温下的能级结构


金刚石(钻石)氮-空位(NV)色心是指金刚石中的一种特殊的发光点缺陷,由一个替代的氮原子与其紧邻的一个碳原子空位组成,是众多顺磁性杂质中的一种。


空位吸引了一个电子,加上氮原子的一个未成键电子,组成了一个轨道基态自旋为1的体系,电子基态为自旋三重态,室温下相干时间可以长达1.8 ms,可以被定位至小于10 nm的精度,电子自旋对外界磁场非常灵敏,NV色心与其他待测样品之间距离可以小于5 nm。


基于以上优点,NV色心可以作为一种非常强大的单量子传感器,该传感器不仅性能稳定,并且可在样品表面纳米级精度扫描成像的同时可保持实验环境的高度稳定。

QDAFM谱仪

为了填补高精度、高分辨率磁场成像科研仪器的空缺,国仪量子推出了一款量子钻石原子力显微镜(Quantum Diamond Atomic Force Microscope,简称QDAFM)。


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量子钻石原子力显微镜


QDAFM谱仪是一台基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器。


QDAFM谱仪通过NV色心的自旋进行量子操控与读出,可实现磁学性质的定量无损成像。QDAFM具有纳米级的高空间分辨以及单个自旋的超高探测灵敏度,是发展和研究高密度磁存储、自旋电子学、量子技术应用等的新技术。


产品特点:


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QDAFM产品特点



QDAFM谱仪在量子科学,化学与材料科学,以及生物和医疗等研究领域有着广泛的应用前景。

微纳磁成像

对于磁性材料,确定其静态自旋分布是凝聚态物理中的重要问题,也是研究新型磁性器件的关键。


QDAFM提供了一种新的测量途径,能够实现高空间分辨率的磁性成像,具有非侵入性、可覆盖宽温区、大磁场测量范围等独到优势。

 

超导磁成像

对超导体及其涡旋的微观尺度研究,能够为理解超导机理提供重要信息。利用工作在低温下的QDAFM,可以对超导体的磁涡旋进行定量的成像研究,并扩展到众多低温凝聚态体系的磁性测量。


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细胞原位成像

在细胞原位实现纳米级分子成像是生物学研究的重要手段。在众多成像技术中,磁共振成像技术能够快速、无破坏地获取样品体内的自旋分布图像,已经广泛应用在多个科学领域中。


特别是在临床医学中,因其对生物体几乎无损伤,对疾病的机理研究、诊断和治疗起着重要的作用。然而,传统的磁共振成像技术使用磁感应线圈作为传感器,空间分辨率极限在微米以上,无法进行细胞内分子尺度的成像。


利用QDAFM的高空间分辨率特性,研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白,分辨率达到了10纳米。


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拓扑磁结构表征

磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构。磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性,为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台,在未来高密度、低能耗、非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用。


但是室温下单个斯格明子的探测在实验上仍具有挑战性。QDAFM的高灵敏度和高分辨率特点,是解决这一难题的有力工具,通过杂散场测量可重构出斯格明子的磁结构。


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部分图片及信息来源于网络,参考文献如下:

1:Tetienne, J. P.et al. Nature Communications6, 6733(2015).

2:Thiel, L. et al. Nature Nanotechnology 11,677-681(2016).

3:Wang, P. et al. Science advances 5, 8038 (2019).

4:Dovzhenko, Y. et al. Nature Communications 9, 2712 (2018).

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