低溫強磁場光探測磁學成像系統attoCSFM

在低溫和納米尺度下，對材料的磁學性質進行成像是超導、磁學和材料科學領域的研究者非常關心的課題，常用的分析方法包括了低溫磁力顯微鏡（MFM）和低溫掃描霍爾顯微鏡（SHPM），以及的光探測磁共振成像技術（Optically Detected Magnetic Resonance, OMDR）。

在這些應用中，attoMFM具有空間分辨率高，但無法進行定量測量，而attoSHPM雖然能定量測量磁場大小，但空間分辨率卻比較差。如何將二者的優(yōu)點結合起來，成為科學家努力的一個目標 。在這一問題上，德國attocube公司*實現突破，成功的將低溫共聚焦顯微鏡（attoCFM）和低溫原子力顯微鏡（音叉式attoAFM）結合，推出了光探測磁共振成像系統（attoCSFM），同時達到nm級空間分辨率和3nTzui小探測磁場（100s積分時間），實現了對磁性材料高靈敏度、高空間分辨率的同步表征。

光探測磁共振成像系統attoCSFM是基于光學檢測的電子自旋共振（ESR）技術，在音叉式AFM針尖上嵌入一個有氮空位（NV色心）的金剛石納米晶粒，利用共聚焦顯微鏡檢測NV色心自旋依賴的熒光強度。 音叉式AFM針尖通常以非接觸模式工作，并且保持音叉式AFM針尖和樣品之間的距離恒定。NV色心在樣品產生的磁場下會發(fā)生能級塞曼分裂，此時，如果用微波照射NV色心，一旦微波的頻率和NV色心的ESR頻率*，attoCFM會觀察到NV色心的熒光強度有很大下降。通過監(jiān)測NV色心熒光強度，并利用鎖相技術控制微波頻率，使得其隨針尖移動時始終處于ESR狀態(tài)，記錄下針尖位置與相應的ESR頻率，再利用ESR頻率和磁場的函數關系推倒出得到磁場的位置像。

attoCSFM系統的穩(wěn)定性好，室溫下一個小時的漂移小于10nm。由于其磁傳感器帶一個NV色心的納米金剛石晶粒體積小，和同樣具有很高靈敏度的超導量子干涉儀器件以及掃描霍爾顯微鏡相比，它成像的空間分辨率在納米尺度。傳統的磁力顯微鏡(MFM)成像空間分辨率也可以到納米尺度，但是attoMFM的磁性針尖和樣品相互作用的方式決定了它在成像時對樣品本身的磁性有擾動，并不是*非侵入式的，而且只能給出定性的圖像。attoCSFM工作溫度1.5K-300K，磁場強度0-15T，CFM低溫物鏡（NA=0.82，WD=4mm），光譜范圍400-1600nm，掃描范圍30X30um(4K)。

從工業(yè)應用來說，attoCSFM是研究下一代高密度磁存儲器*選擇，也是發(fā)展和研究自旋電子學、量子技術新應用的新手段，它的出現解決了納米尺度磁成像這一基本問題，在材料科學、超導科學、生物科學研究方面有著廣泛應用。