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低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光探測(cè)磁共振成像系統(tǒng)attoCSFM

在低溫和納米尺度下，對(duì)材料的磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行成像是超導(dǎo)、磁學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究者非常關(guān)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(cè)磁共振成像技術(shù)（Optically Detected Magnetic Resonance， OMDR）。

在這些應(yīng)用中，attoMFM具有空間分辨率高，但無法進(jìn)行定量測(cè)量，而attoSHPM雖然能定量測(cè)量磁場(chǎng)大小，但空間分辨率卻比較差。如何將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，成為科學(xué)家努力的一個(gè)目標(biāo)。在這一問題上，德國(guó)attocube公司率先實(shí)現(xiàn)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(jié)合，推出了光探測(cè)磁共振成像系統(tǒng)（attoCSFM），同時(shí)達(dá)到nm級(jí)空間分辨率和3nT*小探測(cè)磁場(chǎng)（100s積分時(shí)間），實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性材料高靈敏度、高空間分辨率的同步表征。

光探測(cè)磁共振成像系統(tǒng)attoCSFM是基于光學(xué)檢測(cè)的電子自旋共振（ESR）技術(shù)，在音叉式AFM針尖上嵌入一個(gè)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(cè)NV色心自旋依賴的熒光強(qiáng)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(chǎn)生的磁場(chǎng)下會(huì)發(fā)生能級(jí)塞曼分裂，此時(shí)，如果用微波照射NV色心，一旦微波的頻率和NV色心的ESR頻率一致，attoCFM會(huì)觀察到NV色心的熒光強(qiáng)度有很大下降。通過監(jiān)測(cè)NV色心熒光強(qiáng)度，并利用鎖相技術(shù)控制微波頻率，使得其隨針尖移動(dòng)時(shí)始終處于ESR狀態(tài)，記錄下針尖位置與相應(yīng)的ESR頻率，再利用ESR頻率和磁場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系推倒出得到磁場(chǎng)的位置像。

attoCSFM系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，室溫下一個(gè)小時(shí)的漂移小于10nm。由于其磁傳感器帶一個(gè)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(dǎo)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(tǒng)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?jīng)Q定了它在成像時(shí)對(duì)樣品本身的磁性有擾動(dòng)，并不是完全非侵入式的，而且只能給出定性的圖像。attoCSFM工作溫度1.5K-300K，磁場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)用來說，attoCSFM是研究下一代高密度磁存儲(chǔ)器**選擇，也是發(fā)展和研究自旋電子學(xué)、量子技術(shù)新應(yīng)用的新手段，它的出現(xiàn)解決了納米尺度磁成像這一基本問題，在材料科學(xué)、超導(dǎo)科學(xué)、生物科學(xué)研究方面有著廣泛應(yīng)用。

attoCSFM系統(tǒng)簡(jiǎn)介