磁性材料的顯微觀測(cè)有助于材料的微觀結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理的研究，隨著科研的發(fā)展，磁性材料研究的尺度已經(jīng)趨向于亞微米級(jí)甚至納米級(jí)，因此，超高分辨和超高靈敏度的測(cè)試有助于對(duì)這些極小尺寸的材料進(jìn)行研究。源自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)自旋物理實(shí)驗(yàn)室的Qzabre公司，結(jié)合多年的NV色心的磁測(cè)量技術(shù)與掃描成像技術(shù)開(kāi)發(fā)出的QSM系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度和高分辨率的磁學(xué)成像的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)定量的磁學(xué)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(xué)顯微鏡。相比于傳統(tǒng)的顯微觀測(cè)設(shè)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(shè)備除了擁有優(yōu)于30 nm的磁學(xué)分辨率外，還可以進(jìn)行樣品表面磁場(chǎng)大小的定量測(cè)試，而且NV 色心作為單自旋探針， 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)被測(cè)樣品有擾動(dòng)，在磁學(xué)顯微成像上有著顯著的優(yōu)勢(shì)。主要應(yīng)用于磁性納米結(jié)構(gòu)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(chǎng)時(shí)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(xì)磁場(chǎng)成像，大視場(chǎng)光學(xué)顯微成像等。本次報(bào)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(diǎn)以及相關(guān)應(yīng)用案例介紹，如新型磁存儲(chǔ)器、MRAM材料、石墨烯、集成電路計(jì)量、磁開(kāi)關(guān)、失效分析和信號(hào)傳輸?shù)确矫鎽?yīng)用，希望能給您在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究帶來(lái)幫助。

Dr. GabrielPuebla Hellmann，在實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)和微/納米制造方面有著12年的經(jīng)驗(yàn)。在蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)攻讀博士期間，他在共焦低溫裝置中將超導(dǎo)諧振器與單分子器件結(jié)合起來(lái)，隨后在IBM研究院的博士后期間他致力于使分子電子學(xué)具有可擴(kuò)展性。多年來(lái)他在國(guó)際知名期刊發(fā)表了多篇論文包括了2篇Nature，也申請(qǐng)了2個(gè)發(fā)明專利。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(shù)和組織能力擔(dān)任公司CEO。

Nature子刊案例解析

01 基于同步輻射的磁性斯格明子研究

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M02課題組的光耀、劉藝舟博士、于國(guó)強(qiáng)特聘研究員、韓秀峰研究員等人與德國(guó)馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所Gisela Schütz教授團(tuán)隊(duì)、美國(guó)加州大學(xué)洛杉分校YaroslavTserkovnyak教授團(tuán)隊(duì)、蘭州大學(xué)彭勇教授團(tuán)隊(duì)合作，利用掃描透射X射線顯微鏡（STXM），對(duì)［Pt/Co/IrMn］n交換偏置多層膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在室溫零場(chǎng)條件下成功誘導(dǎo)產(chǎn)生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的產(chǎn)生機(jī)制是由X射線誘導(dǎo)的交換偏置再定向效應(yīng)所主導(dǎo)的，除精確地產(chǎn)生單個(gè)斯格明子外，他們還利用X射線產(chǎn)生了多種結(jié)構(gòu)的斯格明子二維“人工晶體”（如圖一所示）。

Y. Guang. et al. Creating zero-field skyrmionsin exchange-biased multilayersthrough X-ray illumination. Nat. Commun. 11（2020） 949

02 磁疇壁研究

通常SOT（自旋軌道力矩）誘導(dǎo)的磁疇翻轉(zhuǎn)強(qiáng)烈依賴于磁疇臂的結(jié)構(gòu)，2019年Saül Vélez等人使用NV色心磁學(xué)顯微鏡來(lái)揭示TmIG和TmIG/Pt層的磁疇臂磁化情況。如圖所示，作者對(duì)TmIG和TmIG/Pt層進(jìn)行了磁學(xué)顯微測(cè)試，并對(duì)圖b中的兩個(gè)不同位置TmIG/Pt和TmIG區(qū)域的磁疇邊界d/e進(jìn)行了磁場(chǎng)掃描，經(jīng)過(guò)同模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)位置d處的磁疇臂處于Left Néel-Bloch中間結(jié)構(gòu)，而到了位置e處的磁疇臂轉(zhuǎn)變成了Left Néel 結(jié)構(gòu)，這些結(jié)果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，為穩(wěn)定中心對(duì)稱磁性絕緣體中的手性自旋結(jié)構(gòu)提供了可能。

Saül Vélez， et al. High-speed domain wallracetracks in a magnetic insulator. Nat. Commun. 10 （2019） 4750.

03磁性渦旋結(jié)構(gòu)

磁性vortex是一種具有手性的磁性結(jié)構(gòu)， 在自旋動(dòng)力學(xué)和磁存儲(chǔ)器件等方面有重要研究?jī)r(jià)值。該研究實(shí)驗(yàn)表明，基于NV色心的超分辨磁學(xué)顯微鏡能夠與微磁模擬進(jìn)行強(qiáng)有力的比較，是納米磁性和更普遍的納米科學(xué)基礎(chǔ)研究的有力工具。事實(shí)上，直接測(cè)量弱磁場(chǎng)，不受擾動(dòng)，具有納米級(jí)的分辨率，可以解決一些重要的問(wèn)題，例如垂直各向異性薄膜中磁疇壁的性質(zhì)，這些磁疇壁控制著薄膜的電流感應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

Rondin， L.， Tetienne， J.， Rohart， S. etal. Stray-field imaging of magnetic vortices with a single diamondspin. Nat Commun 4 （2013） 2279.