從Z早的指南針到霍爾片，磁場測量一直在生活、科研、工業(yè)應用等領域起著至關重要的作用。

精密磁場成像

       人們?yōu)榱诉_到更高的靈敏度，超導量子干涉儀芯片SQUID、原子蒸氣單元、核磁共振磁等物理學效應相繼被用到磁場探測中來。盡管如此，測磁學仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

地球磁場無處不在

       如今，人們迫切需要一種能夠進行高空間分辨率、高靈敏度并且能夠對樣品表面以下探測和成像的探頭，來研究單個細胞、蛋白質、DNA或進行單分子識別、單原子核磁共振等。

       在保證高靈敏度的前提下，傳統(tǒng)的測磁芯片很難獲得高的空間分辨率，或者縮短與微觀樣品的距離。而對于一些可以達到高分辨率的系統(tǒng)，其工作條件都要求超低溫和高真空，難以對活體細胞、病毒等進行成像?？梢栽谑覝卮髿庀鲁上竦脑恿︼@微鏡、掃描隧道顯微鏡等能夠對樣品表面形貌進行成像，但無法進行表面磁場的成像。

基于NV色心的量子精密測量

金剛石中氮-空位（NV）色心原子結構和室溫下的能級結構

      金剛石（鉆石）氮-空位（NV）色心是指金剛石中的一種特殊的發(fā)光點缺陷，由一個替代的氮原子與其緊鄰的一個碳原子空位組成，是眾多順磁性雜質中的一種。

      空位吸引了一個電子，加上氮原子的一個未成鍵電子，組成了一個軌道基態(tài)自旋為1的體系，電子基態(tài)為自旋三重態(tài)，室溫下相干時間可以長達1.8ms，可以被定位至小于10nm的精度，電子自旋對外界磁場非常靈敏，NV色心與其他待測樣品之間距離可以小于5nm。

      基于以上優(yōu)點，NV色心可以作為一種非常強大的單量子傳感器，該傳感器不僅性能穩(wěn)定，并且可在樣品表面納米級精度掃描成像的同時可保持實驗環(huán)境的高度穩(wěn)定。

QDAFM譜儀

       為了填補高精度、高分辨率磁場成像科研儀器的空缺，國儀量子推出了一款量子鉆石原子力顯微鏡（Quantum Diamond Atomic Force Microscope，簡稱QDAFM）。

量子鉆石原子力顯微鏡

      QDAFM譜儀是一臺基于NV色心和AFM掃描成像技術的量子精密測量儀器。

      QDAFM譜儀通過NV色心的自旋進行量子操控與讀出，可實現磁學性質的定量無損成像。QDAFM具有納米級的高空間分辨以及單個自旋的超高探測靈敏度，是發(fā)展和研究高密度磁存儲、自旋電子學、量子技術應用等的新技術。

產品特點

QDAFM產品特點

QDAFM譜儀在量子科學，化學與材料科學，以及生物和YL等研究領域有著廣泛的應用前景。

微納磁成像

      對于磁性材料，確定其靜態(tài)自旋分布是凝聚態(tài)物理中的重要問題，也是研究新型磁性器件的關鍵。

      QDAFM提供了一種新的測量途徑，能夠實現高空間分辨率的磁性成像，具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場測量范圍等獨到優(yōu)勢。

超導磁成像

      對超導體及其渦旋的微觀尺度研究，能夠為理解超導機理提供重要信息。利用工作在低溫下的QDAFM，可以對超導體的磁渦旋進行定量的成像研究，并擴展到眾多低溫凝聚態(tài)體系的磁性測量。

細胞原位成像

      在細胞原位實現納米級分子成像是生物學研究的重要手段。在眾多成像技術中，磁共振成像技術能夠快速、無破壞地獲取樣品體內的自旋分布圖像，已經廣泛應用在多個科學領域中。

      特別是在臨床醫(yī)學中，因其對生物體幾乎無損傷，對疾病的機理研究、診斷和ZL起著重要的作用。然而，傳統(tǒng)的磁共振成像技術使用磁感應線圈作為傳感器，空間分辨率極限在微米以上，無法進行細胞內分子尺度的成像。

      利用QDAFM的高空間分辨率特性，研究人員觀測到了細胞內部存在于細胞器中的鐵蛋白，分辨率達到了10納米。

拓撲磁結構表征

      磁性斯格明子是具有拓撲保護性質的納米尺度渦旋磁結構。磁性斯格明子展現出豐富新奇的物理學特性，為研究拓撲自旋電子學提供了新的平臺，在未來高密度、低能耗、非易失性計算和存儲器件中也具有潛在應用。

      但是室溫下單個斯格明子的探測在實驗上仍具有挑戰(zhàn)性。QDAFM的高靈敏度和高分辨率特點，是解決這一難題的有力工具，通過雜散場測量可重構出斯格明子的磁結構。

部分圖片及信息來源于網絡，參考文獻如下：

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).

       溫度是自然科學領域中非常重要的一個物理量，在現代物理實驗尤其是凝聚態(tài)物理實驗中，通過改變溫度研究材料的物理相變特性已經成為了一種非常常規(guī)和必要的手段。隨著測量技術的不斷發(fā)展，越來越多的極低溫測量設備和測量手段變得觸手可及。

       通常，在溫度低于1K以下并不斷接近于JD零度的過程中，電子-聲子散射作用逐漸被YZ，從而能夠觀察到更多被掩蓋的量子態(tài)，這對于探索材料的本征物理特性具有重大意義，同時也拓展了材料研究新的領域，例如非常規(guī)超導體重費米子材料、自旋液體材料等引發(fā)的對BCS超導理論、強關聯電子復雜行為、量子阻挫行為的深入探討。

       然而目前傳統(tǒng)的mK溫度下的測量手段仍然非常有限，mK溫度的測量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，微弱的擾動都可能導致溫度的劇烈波動，使得電學輸運的研究手段成為了長久以來“僅有”的選擇。人們也似乎很難將常規(guī)需要在探測線圈中移動樣品才能進行的磁學測量手段與mK極限低溫聯系起來。

       近年來Quantum Design公司在極低溫測量領域的開發(fā)仍在不斷延伸，成功推出了基于MPMS3磁學測量系統(tǒng)的極低溫氦三直流磁學測量組件iHelium3和基于PPMS綜合物性測量系統(tǒng)稀釋制冷機的ACDR交流磁化率組件，成功實現了mK溫度區(qū)間的直流磁學和交流磁學的測量功能，是繼mK電學、熱學測量功能后補全的又一塊拼圖。在此極限低溫下對磁性的研究將有助于科研工作者對超導材料的抗磁特性、臨界電流、中間態(tài)能隙以及自旋玻璃材料量子阻挫特性等進行深入的研究。

精彩案例

1.  極低溫下重費米子材料NdV2Al20的超導特性研究

       2016年日本富山大學並木孝洋教授課題組在0.5-2.5K范圍對重費米子材料NdV2Al20在極低溫的超導特性進行了細致研究，除了采用常規(guī)的電學測量外，也使用MPMS系統(tǒng)的iHelium3選件對NdV2Al20材料在[001][101][111]三個方向的0.01T和0.1T背景場下的MT曲線進行了測試，并通過該數據對材料的Tc相變點進行了判定。

MPMS3 iHelium3選件測量NdV2Al20材料在[001][101][111]三個方向的MT直流磁化率曲線@0.01T&0.1T

J. Phys. Soc. Jpn. 85, 073706 (2016)

2.  極低溫下Al6Re鋁錸合金超導體相關性質研究

       2019年復旦大學封東來、李世燕教授課題組對Al6Re鋁錸合金一類超導體在超導轉變溫度附近的交直流磁化率分別通過MPMS3的iHelium3組件和DynaCool的ACDR稀釋制冷機交流磁化率組件進行了測量。對該材料在不同穩(wěn)態(tài)背景磁場下的抗磁特性進行了分析，并通過M-H曲線通過磁場YZ超過臨界值Hc瞬間失超的特性進一步確認了其一類超導材料的身份。隨后又結合BCS理論對50mK-1K的交流磁化率數據的磁滯特性進行了細致分析。

MPMS3 iHelium3測量到的Al6Re在mK溫區(qū)的直流磁化率曲線MT、MH(@0.4K)

DynaCool系統(tǒng)ACDR選件測量的Al6Re在mK溫區(qū)的交流磁化率曲線

PHYSICAL REVIEW B 99, 144519 (2019)

[報告簡介]

    磁性材料的顯微觀測有助于材料的微觀結構及其形成機理的研究，隨著科研的發(fā)展，磁性材料研究的尺度已經趨向于亞微米級甚至納米級，因此，超高分辨和超高靈敏度的測試有助于對這些極小尺寸的材料進行研究。源自瑞士蘇黎世聯邦理工大學自旋物理實驗室的Qzabre公司，結合多年的NV色心的磁測量技術與掃描成像技術開發(fā)出的QSM系統(tǒng)，能夠實現高靈敏度和高分辨率的磁學成像的同時能實現定量的磁學分析，使得它成為下一代掃描探針顯微鏡---基于NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡。相比于傳統(tǒng)的顯微觀測設備如克爾顯微鏡（分辨率~300 nm），磁力顯微鏡MFM(分辨率~50 nm )，該設備除了擁有優(yōu)于30 nm的磁學分辨率外，還可以進行樣品表面磁場大小的定量測試，而且NV 色心作為單自旋探針, 所產生的磁場不會對被測樣品有擾動，在磁學顯微成像上有著顯著的優(yōu)勢。主要應用于磁性納米結構分析、鐵磁/反鐵磁磁疇成像、磁疇壁分析、電流密度分布成像、任意波形磁場時間分辨等。

    QSM系統(tǒng)擁有多種成像模式如AFM成像、MOKE成像、NV快速成像，NV精細磁場成像，大視場光學顯微成像等。本次報告將為大家介紹NV色心掃描顯微鏡的基本原理，Qzabre公司的QSM系統(tǒng)的特點以及相關應用案例介紹，如新型磁存儲器、MRAM材料、石墨烯、集成電路計量、磁開關、失效分析和信號傳輸等方面應用，希望能給您在相關領域內的研究帶來幫助。

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[主講人介紹]

Dr. Gabriel Puebla Hellmann，在實驗裝置的研發(fā)和微/納米制造方面有著12年的經驗。在蘇黎世聯邦理工大學攻讀博士期間，他在共焦低溫裝置中將超導諧振器與單分子器件結合起來，隨后在IBM研究院的博士后期間他致力于使分子電子學具有可擴展性。多年來他在國際知名期刊發(fā)表了多篇論文包括了2篇Nature，也申請了2個發(fā)明ZL。他于2018年以合作創(chuàng)立者身份加入了Qzabre公司，并以出色的技術和組織能力擔任公司CEO。

[報告時間]

開始  2020年6月3日  15:00

結束  2020年6月3日  16:00

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