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      从Z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。

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

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1.8ms，可以被定位至小于10nm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5nm。

      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）。

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

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YL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。

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ZL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。

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。

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).

    随着半导体工艺的发展，集成电路的关键尺寸已经趋向于几纳米或更小。在2019年的日本SFF（三星晶圆代工论坛）会议上，三星公布了3 nm工艺的具体指标，与现在的7 nm工艺相比，3 nm工艺可将核心面积减少45%，功耗降低50%，性能提升35%。同时，在存储方面，高密度、低能耗、高速度等特点也是量化生产存储器所追求的。然而随着晶体管尺寸的减小, 由量子效应所产生的漏电流及其所导致的热效应使得传统的存储技术遇到了瓶颈。随着自旋电子学的发展，自旋电子器件具有静态功耗低、可无限次高速读写、非易失性存储等优点, 被认为是突破当前瓶颈的关键技术, 因此受到了广泛关注。 MRAM（磁随机存取存储器）和磁性斯格明子等是目前比较有代表性的新型磁存储技术。

    近期，ZG科学院物理研究所磁学国家ZD实验室M02课题组的光耀、刘艺舟博士、于国强特聘研究员、韩秀峰研究员等人与德国马克斯普朗克智能系统研究所Gisela Schütz教授团队、美国加州大学洛杉分校Yaroslav Tserkovnyak教授团队、兰州大学彭勇教授团队合作，利用扫描透射X射线显微镜(STXM)，对[Pt/Co/IrMn]n交换偏置多层膜结构进行了系统的研究，在室温零场条件下成功诱导产生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的产生机制是由X射线诱导的交换偏置再定向效应所主导的，除精确地产生单个斯格明子外，他们还利用X射线产生了多种结构的斯格明子二维“人工晶体”（如图一所示）[1]。

图1. X射线诱导单个斯格明子及斯格明子晶体的产生。a为X射线诱导产生的闭合单畴条(白色虚线矩形框)；b为控制X射线在单畴区域上jing准产生的两个斯格明子；c-d分别为X射线在单畴区域写入的三角和正方斯格明子人工晶体。d中的标尺条为1 μm

    磁性斯格明子在不同的作用机理下，形成的尺寸大小也有所区别，一般在1 nm~1 μm之间，上面提到的STXM观测，分辨率高，但因其基于同步辐射，不能在普通实验室中完成。近年来发展的基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜（如图2所示）^[2]，是一种很好的替代检测设备。相比于传统的显微观测设备如克尔显微镜（分辨率~300 nm），磁力显微镜MFM(分辨率20~50 nm )，该设备除了拥有优于30 nm的磁学分辨率外（10~30 nm，理论上可以到纳米级），还可以进行样品表面磁场大小的定量测试，而且NV 色心作为单自旋探针, 所产生的磁场不会对待测样品有扰动，在磁学显微成像上有着显著的优势。

图2 基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜示意图 含有NV色心的金刚石探针通过AFM系统可以对样品进行逐点扫描，定量的获取样品表面的磁场大小信息

    2016年，Y. Dovzhenko等人^[3]通过NV色心磁学显微镜对磁性斯格明子表面的磁场进行了测试，重构出表面杂散磁场的分布，对斯格明子的类型具有指导意义（如图3所示）。在Bloch 型斯格明子的假定下重构出的磁化分布中，ZX处z 方向磁化几乎为零, 也就是磁化方向在面内, 这样的结构无法形成一个完整的斯格明子。而Néel 型假定给出的磁化分布更加符合理论模型中斯格明子的磁化分布. 因此, Néel 型的斯格明子更加符合实验结果. 对一些新颖的磁性斯格明子结构, 如纳米条带的边缘态和双斯格明子,基于NV 色心的磁成像能够为解析其磁化结构提供帮助^[4]。

图3 斯格明子局部磁结构获取 a.测量的杂散磁场z方向分量；b. 在Néel 型和Bloch 型假定下仿真的杂散场z方向分量；(c) (b) 图中在x = x0 和y = y0 处切面与实验值的比较; (d),(e) Néel 型和Bloch 型假定下的磁化分布; (f) Bloch 型假定下y = y0 处在不同外磁场下磁化强度切面

    通常SOT（自旋轨道力矩）诱导的磁畴翻转强烈依赖于磁畴壁的结构，2019年Saül Vélez等人[5]使用NV色心磁学显微镜来揭示TmIG和TmIG/Pt层的磁畴壁磁化情况。如图4所示，作者对TmIG和TmIG/Pt层进行了磁学显微测试，并对图b中的两个不同位置TmIG/Pt和TmIG区域的磁畴边界d/e进行了磁场扫描，经过同模拟结果对比发现位置d处的磁畴壁处于Left Néel-Bloch中间结构，而到了位置e处的磁畴臂转变成了Left Néel 结构，这些结果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，为稳定ZX对称磁性绝缘体中的手性自旋织构提供了可能。

图4 用NV磁学显微镜测量了TmIG和TmIG/Pt的畴壁结构和手性 a.测试示意图；b.样品表面杂散磁场测试结果；c.样品表面磁化情况重建；d.e为图4b中虚线位置和磁场分布关系及不同模型的模拟对比

    瑞士的Qzabre公司源自于苏黎世联邦理工大学自旋物理实验室Prof. Christian Degen团队，该团队于2008年首次提出了使用单个NV色心进行扫描磁探测成像[2]，为后续NV色心磁成像技术奠定了基础。基于该团队的技术，Qzabre公司推出了一款用于室温下的基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM（如图5所示），该设备拥有优于30 nm级别的磁学分辨的同时，还可以进行定量的测试材料表面的磁场分布，磁场测试灵敏度可到1 μT/Hz^1/2，被广泛应用于磁性材料显微成像分析，如磁性纳米结构分析、铁磁/反铁磁磁畴成像、磁性斯格明子分析、磁畴壁分析、任意波形交流磁场测量、多铁材料扫描以及石墨烯、碳纳米管等电流分布成像。近期，Quantum DesignZG与瑞士Qzabre公司达成战略合作协议，独 家引进Qzabre的NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM，希望可以为ZG的广大科研工作者提供有力的帮助，欢迎大家咨询。

图5 基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM外观图

    如想了解更多信息，欢迎通过电话010-85120280、邮箱info@qd-china.com和网站www.qd-china.com在线咨询或留言联系我们。

参考文献：

[1] Y. Guang. et al. Creating zero-field skyrmions in exchange-biased multilayers through X-ray illumination. Nat. Commun. 11 (2020) 949

[2] C. L. Degen, Scanning magnetic field microscope with a diamond single-spin sensor, Appl. Phys. Lett. 92, 243111 (2008)

[3] Dovzhenko Y, Casola F, Schlotter S, Zhou T X, Büttner F, Walsworth R L, Beach G S D, Yacoby A 2016 arXiv:1611.00673 [cond-mat]

[4] Wang Cheng-Jie, et al. Nanoscale magnetic field sensing and imaging based on nitrogen-vacancy center in diamond. Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 13 (2018) 130701

[5] Saül Vélez, et al. High-speed domain wall racetracks in a magnetic insulator. Nature Communications (2019) 10:4750

       温度是自然科学领域中非常重要的一个物理量，在现代物理实验尤其是凝聚态物理实验中，通过改变温度研究材料的物理相变特性已经成为了一种非常常规和必要的手段。随着测量技术的不断发展，越来越多的极低温测量设备和测量手段变得触手可及。

       通常，在温度低于1K以下并不断接近于JD零度的过程中，电子-声子散射作用逐渐被YZ，从而能够观察到更多被掩盖的量子态，这对于探索材料的本征物理特性具有重大意义，同时也拓展了材料研究新的领域，例如非常规超导体重费米子材料、自旋液体材料等引发的对BCS超导理论、强关联电子复杂行为、量子阻挫行为的深入探讨。

       然而目前传统的mK温度下的测量手段仍然非常有限，mK温度的测量对系统的稳定性要求较高，微弱的扰动都可能导致温度的剧烈波动，使得电学输运的研究手段成为了长久以来“仅有”的选择。人们也似乎很难将常规需要在探测线圈中移动样品才能进行的磁学测量手段与mK极限低温联系起来。

       近年来Quantum Design公司在极低温测量领域的开发仍在不断延伸，成功推出了基于MPMS3磁学测量系统的极低温氦三直流磁学测量组件iHelium3和基于PPMS综合物性测量系统稀释制冷机的ACDR交流磁化率组件，成功实现了mK温度区间的直流磁学和交流磁学的测量功能，是继mK电学、热学测量功能后补全的又一块拼图。在此极限低温下对磁性的研究将有助于科研工作者对超导材料的抗磁特性、临界电流、中间态能隙以及自旋玻璃材料量子阻挫特性等进行深入的研究。

精彩案例

1.  极低温下重费米子材料NdV2Al20的超导特性研究

       2016年日本富山大学並木孝洋教授课题组在0.5-2.5K范围对重费米子材料NdV2Al20在极低温的超导特性进行了细致研究，除了采用常规的电学测量外，也使用MPMS系统的iHelium3选件对NdV2Al20材料在[001][101][111]三个方向的0.01T和0.1T背景场下的MT曲线进行了测试，并通过该数据对材料的Tc相变点进行了判定。

MPMS3 iHelium3选件测量NdV2Al20材料在[001][101][111]三个方向的MT直流磁化率曲线@0.01T&0.1T

J. Phys. Soc. Jpn. 85, 073706 (2016)

2.  极低温下Al6Re铝铼合金超导体相关性质研究

       2019年复旦大学封东来、李世燕教授课题组对Al6Re铝铼合金一类超导体在超导转变温度附近的交直流磁化率分别通过MPMS3的iHelium3组件和DynaCool的ACDR稀释制冷机交流磁化率组件进行了测量。对该材料在不同稳态背景磁场下的抗磁特性进行了分析，并通过M-H曲线通过磁场YZ超过临界值Hc瞬间失超的特性进一步确认了其一类超导材料的身份。随后又结合BCS理论对50mK-1K的交流磁化率数据的磁滞特性进行了细致分析。

MPMS3 iHelium3测量到的Al6Re在mK温区的直流磁化率曲线MT、MH(@0.4K)

DynaCool系统ACDR选件测量的Al6Re在mK温区的交流磁化率曲线

PHYSICAL REVIEW B 99, 144519 (2019)

Magnetic Imaging Conference  磁学成像会议

2021年2月9号 | 线上会议

挑战，技术 & 磁学成像科研动态

       纳米磁学是很活跃的科研领域之一。这是由于纳米磁性材料总是展现出许多有趣的和新兴的现象，存在着巨大的应用前景。人们对新型磁性材料的探索在很大程度上是受人类社会和日常生活发展的影响所驱动的。最引人注目的例子是磁存储容量的大幅增长，甚至超过了摩尔定律的预测。

       基于扫描探针的磁学成像技术在解决纳米磁性材料的实际应用问题中起着至关重要的作用。解决这些问题的关键是提高测量设备的分辨率和灵敏度。二十多年来，德国attocube公司一直与世界各地的科学家紧密合作，利用其研究设备促进科学突破。

       值得注意的是，德国attocube公司通过提供独特的低振动低温恒温器、扫描探针显微镜平台、低温光学和超精密纳米定位单元，促进了磁学成像前沿的研究。参与此次免费线上会议，您将了解固体物理各个领域的进展：通过不同的磁学成像技术取得的令人印象深刻的成果。磁学成像技术包含：磁力显微成像（MFM）、氮空位显微成像（NVM）和扫描SQUID成像。

       您可通过扫描下方二维码或点击此处报名注册参与两部分的学术报告会（报告之后含问答环节）。ZH还有关于磁学成像未来的小组讨论，领域的人士将会参与讨论。

扫描扫描上方二维码，即刻报名参与本次讲座

部分一：

3:40 - 3:55 p.m.  Mirko Bacani (attocube systems AG, Haar, Germany) | attocube systems as your partner in low-temperature magnetic imaging

4:00 - 4:25 p.m.  Jan Seidel (University of New South Wales, Sydney, Australia) | Variable temperature MFM measurements of magnetic oxide materials

4:30 - 4:55 p.m.  Jian Shen (Fudan University, Shanghai, China) | Physical origin of complex magnetic domain structures in manganites

5:00 - 5:25 p.m.  Eli Zeldov (Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel) | topological currents and twist-angle disorder in magic-angle graphene

5:25 - 5:45 p.m.  Virtual Coffee Break

5:45 - 6:15 p.m.  Jörg Wrachtrup (University of Stuttgart, Stuttgart, Germany) | Nanoscale probing of functional 2D materials

6:20 - 6:45 p.m.  Vincent Jacques (University of Montpellier, Montpellier, France) | antiferromagnetic order with a single spin microscope

6:50 - 7:15 p.m.  Christian Degen (ETH Zurich, Zurich, Switzerland) | Towards mK magnetometry of electronic transport in condensed matter systems

部分二：

9:10 - 9:40 p.m. Stuart Parkin (Max Planck Institute for Microstructure Physics & Martin Luther University Halle-Wittenberg, Halle Germany) | Chiral non-collinear spin textures imaged using magnetic force microscopy and lorentz transmission electron microscopy

9:45 - 10:00 p.m. Samuel Seddon (University of Warwick, Coventry, UK) | Real-space Observation of Ferroelectrically Induced Magnetic Spin Crystal in SrRuO3

10:05 - 10:30 p.m. Patrick Maletinsky (University of Basel, Basel, Switzerland) | Single-spin nanoscale imaging of atomically thin magnets

10:30 - 10:45 p.m. Virtual Coffee Break

10:45 - 11:10 p.m. Ruslan Prozorov (Iowa State University & Ames Laboratory, Ames, USA) | Probing quantum criticality using optical NV magnetometry

11:15 - 11:40 p.m. John Kirtley (Kirtleyscientific.com, Stanford, USA) | Determining the vibrations between sensor and sample in SQUID microscopy

小组讨论：

12:00 - 1:00 a.m. future of magnetic imaging: What are key challenges in applications, and which techniques are going to solve these best?

Host: 

Khaled Karraï (attocube systems AG, Haar, Germany)

Participants:

Thierry Debuisschert (Thales Research & Technology, Palaiseau, France)

Hans Josef Hug (Empa - Swiss Federal Labs for Materials Science and Technology, Dübendorf, Switzerland)

Kathryn Ann Moler (Stanford University, Stanford, USA)

Stuart Parkin (Max Planck Institute for Microstructure Physics & Martin Luther University Halle-Wittenberg, Halle, Germany)

Jörg Wrachtrup (University of Stuttgart, Stuttgart, Germany)

持续产生科学影响

德国attocube公司产品助力您的磁学成像研究

[报告简介]

    磁性材料的显微观测有助于材料的微观结构及其形成机理的研究，随着科研的发展，磁性材料研究的尺度已经趋向于亚微米级甚至纳米级，因此，超高分辨和超高灵敏度的测试有助于对这些极小尺寸的材料进行研究。源自瑞士苏黎世联邦理工大学自旋物理实验室的Qzabre公司，结合多年的NV色心的磁测量技术与扫描成像技术开发出的QSM系统，能够实现高灵敏度和高分辨率的磁学成像的同时能实现定量的磁学分析，使得它成为下一代扫描探针显微镜---基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜。相比于传统的显微观测设备如克尔显微镜（分辨率~300 nm），磁力显微镜MFM(分辨率~50 nm )，该设备除了拥有优于30 nm的磁学分辨率外，还可以进行样品表面磁场大小的定量测试，而且NV 色心作为单自旋探针, 所产生的磁场不会对被测样品有扰动，在磁学显微成像上有着显著的优势。主要应用于磁性纳米结构分析、铁磁/反铁磁磁畴成像、磁畴壁分析、电流密度分布成像、任意波形磁场时间分辨等。

    QSM系统拥有多种成像模式如AFM成像、MOKE成像、NV快速成像，NV精细磁场成像，大视场光学显微成像等。本次报告将为大家介绍NV色心扫描显微镜的基本原理，Qzabre公司的QSM系统的特点以及相关应用案例介绍，如新型磁存储器、MRAM材料、石墨烯、集成电路计量、磁开关、失效分析和信号传输等方面应用，希望能给您在相关领域内的研究带来帮助。

[注册链接]

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[主讲人介绍]

Dr. Gabriel Puebla Hellmann，在实验装置的研发和微/纳米制造方面有着12年的经验。在苏黎世联邦理工大学攻读博士期间，他在共焦低温装置中将超导谐振器与单分子器件结合起来，随后在IBM研究院的博士后期间他致力于使分子电子学具有可扩展性。多年来他在国际知名期刊发表了多篇论文包括了2篇Nature，也申请了2个发明ZL。他于2018年以合作创立者身份加入了Qzabre公司，并以出色的技术和组织能力担任公司CEO。

[报告时间]

开始  2020年6月3日  15:00

结束  2020年6月3日  16:00

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[直播好礼]

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