磁性材料的顯微觀測有助于材料的微觀結(jié)構(gòu)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(jīng)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(lián)邦理工大學自旋物理實驗室的Qzabre公司，結(jié)合多年的NV色心的磁測量技術(shù)與掃描成像技術(shù)開發(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成像的同時能實現(xiàn)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(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(chǎn)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(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(guān)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(guān)、失效分析和信號傳輸?shù)确矫鎽?，希望能給您在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究帶來幫助。

Dr. GabrielPuebla Hellmann，在實驗裝置的研發(fā)和微/納米制造方面有著12年的經(jīng)驗。在蘇黎世聯(lián)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(jié)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，中國科學院物理研究所磁學國家重點實驗室M02課題組的光耀、劉藝舟博士、于國強特聘研究員、韓秀峰研究員等人與德國馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所Gisela Schütz教授團隊、美國加州大學洛杉分校YaroslavTserkovnyak教授團隊、蘭州大學彭勇教授團隊合作，利用掃描透射X射線顯微鏡（STXM），對［Pt/Co/IrMn］n交換偏置多層膜結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究，在室溫零場條件下成功誘導產(chǎn)生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的產(chǎn)生機制是由X射線誘導的交換偏置再定向效應所主導的，除精確地產(chǎn)生單個斯格明子外，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）誘導的磁疇翻轉(zhuǎn)強烈依賴于磁疇臂的結(jié)構(gòu)，2019年Saül Vélez等人使用NV色心磁學顯微鏡來揭示TmIG和TmIG/Pt層的磁疇臂磁化情況。如圖所示，作者對TmIG和TmIG/Pt層進行了磁學顯微測試，并對圖b中的兩個不同位置TmIG/Pt和TmIG區(qū)域的磁疇邊界d/e進行了磁場掃描，經(jīng)過同模擬結(jié)果對比發(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)， 在自旋動力學和磁存儲器件等方面有重要研究價值。該研究實驗表明，基于NV色心的超分辨磁學顯微鏡能夠與微磁模擬進行強有力的比較，是納米磁性和更普遍的納米科學基礎(chǔ)研究的有力工具。事實上，直接測量弱磁場，不受擾動，具有納米級的分辨率，可以解決一些重要的問題，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運動。

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