低溫NV色心掃描成像磁強計-attoNVM

應(yīng)用領(lǐng)域

1. 超導(dǎo)材料中的磁通漩渦  

2. 單層二維材料中的磁學(xué)成像

3. 磁性薄膜材料中磁學(xué)性質(zhì)測量 

設(shè)備參數(shù)

1. 設(shè)備類型：結(jié)合共聚焦顯微鏡 (CFM) 和原子力顯微鏡 (AFM) ，微波激發(fā)掃描光學(xué)磁共振檢測 (ODMR)

2. 成像模式：光檢測磁共振 (ODMR)，AFM，CFM，寬場，MOKE

3. ODMR 在基底溫度的對比度：≥ 8%

4. 激發(fā)激光 ：標(biāo)準(zhǔn)515 nm (其他可定制)

5. 共聚焦模塊：緊湊的模塊化設(shè)計，兩個光學(xué)通道：一個激發(fā)通道和一個檢測通道

6. 長期穩(wěn)定性：漂移<100 nm/24h， ΔT =2K

7. 視野范圍 ：大約55 µm

8. RMSz噪音水平（帶寬 = 200 Hz）:小于0.4 nm（室溫）； 小于2.5 nm（低溫）

9.  定位步長：0.05..3 µm @ 300 K, 10..500 nm @ 4 K

10. 精細掃描范圍：30 x 30 x 4.3 µm3 @ 300 K, 18 x 18 x 2 µm3 @ 4 K

11. 溫度范圍 ：1.8-300 K（淬滅模式，帶光學(xué)讀出的AFM掃描，微波關(guān)閉）；  4-300 K（ cw-ODMR模式）

12. 磁場  ：9-1-1 T 或1-1-1 T

13. 掃描協(xié)議： NV scanning mode (cw-ODMR), quench mode, iso-B mode, AFM in contact and fixed height

14. 脈沖協(xié)議 ：Rabi, Ramsey Spin-Echo, CPMG, XY4, XY8

15. 兼容低溫恒溫器attoDRY2200：https://www.qd-china。。ｃｏｍ/zh/pro/detail/1/1912041697862

16. 樣品空間直徑：48 mm

設(shè)備選件

集成微波天線的高性能NV色心探針

由瑞士QZabre公司設(shè)計和制造的帶有NV色心的金剛石探針因其在低溫下有超高光穩(wěn)定性和靈敏度而享有盛譽。微波線和金剛石探針集成在同一個載體芯片上，并且已經(jīng)相互預(yù)對準(zhǔn)，從而使測量過程和jianduan更換盡可能簡單。集成微波線不與AFM音叉和懸臂直接接觸，以盡量減少加熱效應(yīng)和漂移。

QS3軟件：NV色心掃描成像，與AFM測量一樣簡單

QS3軟件基于資深NV磁力儀用戶的經(jīng)驗與需求打造，兼具強大功能與用戶友好性。其直觀的軟件界面，讓您能快速進入磁成像與電流成像的世界。

主要測量模式：

? 熒光光譜測量模式：磁場會改變NV色心的熒光強度，從而指示磁場強弱分布。 此模式僅測量熒光，速度超快，但僅為定性測量。

? Iso-B測量模式：Iso-B模式下掃描時會固定一個或多個微波頻率采集熒光強度，因熒光強度與樣品產(chǎn)生的磁場相關(guān)，最終采集到的熒光信號能以等高線形式呈現(xiàn)磁場分布特征，直觀反映磁場的等值分布情況。是一種對小場變化進行定量的快速測量。 

? CW-ODMR測量模式：CW-ODMR模式通過連續(xù)施加激光和微波場來繪制熒光響應(yīng)，從而測量全共振曲線。該模式為定量測量，在對比度、計數(shù)率和線寬方面有更豐富信息。 

? 跟蹤模式：磁場的強烈變化會顯著改變共振，ODMR的大頻率窗口會降低信噪比。為了避免這種情況，該模式采用動態(tài)移動的小頻率窗口進行追蹤測量。

? 脈沖ODMR測量模式：在每個頻率點，NV色心都用激光脈沖初始化，然后是微波π脈沖和激光讀出脈沖。該模式避免了功率展寬效應(yīng)，更窄的線寬和更高的對比度使其靈敏度優(yōu)于0.5µT/（Hz1/2）。

低溫消色差物鏡：LT-APO/532-RAMAN/0.82

attocube公司的低溫物鏡在低溫強磁場拉曼顯微鏡中已被國內(nèi)外用戶廣泛使用，物鏡主要參數(shù)：

- 數(shù)值孔徑：0.82

- 透光范圍：400-1000 nm

- 消色差范圍：520-685 nm

- 工作距離：0.64 mm

MOKE升級：快速檢查您的樣品

磁光克爾效應(yīng)（MOKE測量）升級使用戶能夠在使用NV磁測進行更詳細的研究之前對樣品進行初步檢查。主要特點包括： 

- 包含用于使用偏置光電探測器在H/V基礎(chǔ)上進行典型極性MOKE探測的所有光學(xué)元件

- 遠程可控波片

- BW=500 kHz的探測器

- 集成到QS3軟件中

 圖片顯示BiYI:G（鉍釔鐵石榴石），樣品由QZabre提供

精確的NV色心探針控制：瑞士蘇黎世儀器的MFLI控制器

- 從直流到500 kHz或5 MHz進行分析、生成和控制

- 精確測量電流和電壓

- 測量時間快，本底噪聲低

- 可配置多路輔助輸入/輸出

- LabOne工具套件，包括示波器、掃頻儀和頻譜分析儀

應(yīng)用案例

二維超導(dǎo)體NbSe₂中的磁通漩渦動力學(xué)

納米尺度的磁動力學(xué)為理解超導(dǎo)體行為提供了關(guān)鍵視角。德國斯圖加特大學(xué)的J?rg Wrachtrup教授團隊依托attoDRY2200 低震動無液氦磁體與恒溫器搭建的低溫NV色心磁強計成功對二維超導(dǎo)體NbSe₂中的渦旋動力學(xué)進行了探測。測量結(jié)果顯示，該材料存在一種無序渦旋玻璃相，其在接近臨界溫度時會發(fā)生熔化，并呈現(xiàn)出隨冷卻速率變化的構(gòu)型特征。令人意外的是，磁噪聲在遠低于Tc溫度時仍持續(xù)存在，且強度隨溫度降低而增強——這與預(yù)期相反。通過自旋退相干技術(shù)檢測到的這種現(xiàn)象，表明其本質(zhì)源于超電流密度與熱漲落之間的競爭機制。本研究結(jié)果證實，低溫NV色心磁強計已成為研究二維超導(dǎo)體漲落現(xiàn)象的強有力平臺。

參考文獻：Phys. Rev. Lett. 135, 126001, 2025

原子級層厚 CrPS₄中的可配置反鐵磁疇和橫向交換偏置

反鐵磁體（AFMs）與鐵磁體（FMs）之間的界面交換耦合，是實現(xiàn)鐵磁體磁滯回線偏移（即交換偏置）及反鐵磁體狀態(tài)切換的關(guān)鍵機制。二維磁體為結(jié)合反鐵磁（AFM）與鐵磁（FM）材料提供了可能性；然而，通過堆疊獲得的埋藏AFM-FM界面仍難以理解。近期，美國波士頓學(xué)院的Brian Zhou教授團隊的通過研究層狀反鐵磁材料CrPS₄的層內(nèi)交換耦合機制，揭示了界面調(diào)控效應(yīng)。材料中相鄰的偶數(shù)層與奇數(shù)層形成了反鐵磁（AFM）類區(qū)域與鐵磁（FM）類區(qū)域之間的原始橫向界面。課題組通過低溫NV色心磁強計來區(qū)分反相偶數(shù)層態(tài)（由于弱表面磁化所致）。這種表面磁化使得可以控制偶數(shù)層狀態(tài)，由于它們自身的橫向耦合，不同的區(qū)域在不同的磁場下切換。研究中把三個相鄰的AFM結(jié)構(gòu)域切換到一個類FM區(qū)域，展示了可調(diào)的多級交換偏置。納米級可視化研究揭示了交換偏置的微觀起源，并推進了二維晶體在混合AFM-FM技術(shù)中的應(yīng)用。相關(guān)研究內(nèi)容以《Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS4 》為題，發(fā)表于國際期刊《Nature Materials》。

 參考文獻：Nature Materials 24, 1414–1423 (2025)

單層與多層二維材料CrSBr中納米磁性成像和磁相變

原子級厚度的范德華（vdW）磁體自2017年被觀測以來，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域都備受矚目。然而，其低溫有序化溫度Tc、對大氣環(huán)境的敏感性以及制備潔凈大面積樣品，仍是阻礙其進一步發(fā)展的主要瓶頸，這在范德華磁性半導(dǎo)體領(lǐng)域尤為突出。具有優(yōu)異穩(wěn)定性的高Tc范德華磁體CrSBr有望突破這些關(guān)鍵限制，但其納米尺度特性與豐富的磁相圖仍不甚明了。瑞士巴塞爾大學(xué)的Patrick Maletinsky教授課題組通過低溫NV色心磁強計，采用直接磁成像法對少層CrSBr的飽和磁化強度、磁各向異性常數(shù)及磁相變進行定量表征。實驗結(jié)果揭示了微米尺度上無缺陷的純凈磁相，并證實其在單層極限下展現(xiàn)出非常好的空氣穩(wěn)定性。此外，通過對雙層CrSBr中反鐵磁有序區(qū)與wanquan排列自旋區(qū)域的相共存進行成像，進一步研究了其自旋翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。這項工作為在CrSBr中構(gòu)建奇異電子磁相，以及基于這種非常具有潛力的范德華磁體開發(fā)新型納米磁器件提供重要技術(shù)支撐。

參考文獻：Nature Communications  15: 6005 (2024)

原子級薄CrBr₃中的磁疇和疇壁釘扎

原子級厚度范德華磁體的出現(xiàn)為二維磁性及其應(yīng)用研究提供了新平臺。然而，近期研究中廣泛使用的測量方法既無法提供磁化強度的定量信息，也無法實現(xiàn)納米級空間分辨率。這些能力對于探索磁疇和自旋紋理的豐富特性至關(guān)重要。德國斯圖加特大學(xué)J?rg Wrachtrup教授課題組采用低溫NV色心磁強計，利用金剛石探針中氮空位中心的單電子自旋，明確證明了磁疇的存在并研究了原子級厚度CrBr3中磁疇的動力學(xué)。通過控制磁疇隨磁場變化的演化，我們發(fā)現(xiàn)釘扎效應(yīng)是主導(dǎo)的矯頑機制，并測得CrBr₃雙層膜的磁化強度約為每平方納米26玻爾磁子。該技術(shù)的高空間分辨率使磁疇成像成為可能，并能定位釘扎疇壁和引發(fā)反向疇的缺陷位點。該工作強調(diào)了低溫NV色心磁強計作為定量探針在二維磁體納米尺度特征研究中的應(yīng)用。

參考文獻：Nature Communications 12 : 1989 (2021)

測試數(shù)據(jù)

磁疇-金屬多層Ir/Fe/Co/Pt樣品

在 T = 2.9 K 的溫度下，通過CW-ODMRM模式獲得的Ir/Fe/Co/Pt多層樣品的磁場分布圖。探針jianduan與樣品間距為50 nm，像素間距為20 nm。數(shù)據(jù)未經(jīng)任何后處理。樣品由Anjan Soumyanarayanan教授（A*STAR，新加坡）提供。

Abrikosov渦旋：BSCCO-2212樣品 

在 T = 71 K 的溫度下，通過CW-ODMRM模式對BSCCO-2212樣品進行磁通渦旋成像，測量時針尖與樣品保持接觸。樣品預(yù)先在 Bz = 3.7 mT 下進行場冷卻，并在沿NV軸方向施加 B = 7 mT 偏置場的條件下進行測量。掃描像素間距為 66 nm，總測量時間為 2小時40分鐘。測量結(jié)果顯示有26個渦流，與28.6個渦流的預(yù)期值非常吻合。

二維材料：范德瓦爾斯磁體

在T=70 K下，通過CW-ODMR模式測量扭轉(zhuǎn)兩層-雙層CrSBr中的磁疇圖像，針尖與樣品距離為100 nm。掃描分辨率為75×100像素，耗時6小時。樣品由Alexander H?gele教授（慕尼黑大學(xué)）提供。

Abrikosov渦旋：YBCO樣品

在 T = 3 K 下，通過CW-ODMR模式測量YBCO薄膜中的磁渦旋，針尖-樣品接觸模式測量。樣品在Bz=1.18mT下進行場冷卻，并在沿NV軸方向施加 B = 1.84 mT 偏置場中進行測量。掃描像素距離為66 nm。測量時間為4h。測量結(jié)果顯示有9個渦流，與理論預(yù)期值 9.14 個 高度吻合。

磁疇-金屬多層Ir/Fe/Co/Pt樣品

在T=3 K下，通過CW-ODMR模式采集的Ir/Fe/Co/Pt多層樣品的磁疇圖，針尖與樣品距離為30nm。Cristian Bonato教授（英國赫瑞瓦特大學(xué)）團隊完成的測量。  

CrSBr中反鐵磁疇壁

在T=115 K下，通過CW-ODMR獲取的反鐵磁樣品CrSBr中疇壁圖像，探針與樣品距離為70nm。Cristian Bonato教授（英國赫瑞瓦特大學(xué)）團隊完成測量。

發(fā)表文章

• Ruoming Peng, et al. Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope . Phys. Rev. Lett. 135, 126001, 2025

• Brian B. Zhou, et al. Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS4， Nature Materials 24, 1414–1423 (2025)

• Patrick Maletinsky, et al. Imaging nanomagnetism and magnetic phase transitions in atomically thin CrSBr.Nature Communications  15: 6005 (2024)

• Rainer St?hr, et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr3 revealed by nanoscale imaging. Nature Communications 12 : 1989 (2021)

• Patrick Maletinsky, et al. Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy. Science 364, 973–976 (2019)

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