磁性材料領域的成像提供了對磁性周圍物理和化學過程的重要見解，並且已經成為(wei) 磁性數據存儲(chu) 驚人發展的關(guan) 鍵因素。使用磁光克爾效應、x射線和電子顯微鏡的現有方法存在限製進一步發展的局限性，並且對高空間分辨率實時成像和表征磁現象的需求越來越大。
利用NV自旋的磁光成像技術
磁成像技術通常以其空間和時間分辨率為(wei) 特征，但靈敏度、場幹擾、樣品損壞、視場、成本和易用性等標準對於(yu) 廣泛的適用性至關(guan) 重要，這推動了人們(men) 對先jin材料和国产成人在线观看免费网站中磁性理解的未來發展。電子和X射線顯微鏡可以提供低至幾納米的高空間分辨率，但耗時，需要昂貴的複雜儀(yi) 器，仔細的樣品製備和高真空環境。磁力顯微鏡(MFM)通常用於(yu) 表征磁性器件，但由於(yu) 其侵入性磁尖，固有的速度很慢，不適合成像脆弱的磁化狀態。另一方麵，磁光克爾效應顯微鏡(MOKE)是一種非侵入性光學技術，在進一步了解自旋霍爾效應和zui近在環境條件下形成的磁性斯基米子氣泡方麵發揮了巨大作用。MOKE的主要限製是它適用於(yu) 表現出強克爾響應的材料。有源MOKE層已国产成人在线观看免费网站於(yu) 某些材料類型以誘導MOKE響應，然而這種侵入性方法可能會(hui) 影響所研究器件的磁性。
基於(yu) 量子自旋態對外部磁場的敏感性，固體(ti) 自旋係統為(wei) 磁成像提供了一種新的方法。特別是，金剛石中帶負電的氮空位(NV)中心在室溫環境下表現出競爭(zheng) 性的磁靈敏度。基於(yu) 金剛石的成像技術已經發展用於(yu) 生物細胞、載流導線、順磁分子和固態現象。
更具體(ti) 地說人們(men) 可以利用金剛石中NV中心的磁靈敏度對鐵磁薄膜中的雜散磁場進行成像。該技術適用於(yu) 任何具有雜散磁場的磁性材料，並且在環境條件下隻需將材料與(yu) 金剛石成像芯片接觸即可實現高通量操作。該儀(yi) 器由一個(ge) 傳(chuan) 統的商用寬視場熒光顯微鏡和一個(ge) 鑽石成像芯片組成，磁性樣品安裝在該芯片上。磁性對比是由在金剛石表麵下設計的NV缺陷中心發出的熒光信號獲得的，係統提供三種不同的成像方式，可以單獨使用或組合使用。首先，在沒有外加磁場的情況下，可以使用NV自旋的光學檢測磁共振(ODMR)來解析磁位的等磁場線。第二以定量地繪製整個(ge) 視場中每個(ge) 單獨位的雜散磁場，並將結果與(yu) 記錄介質的理論模擬進行比較。zui後，可以利用基於(yu) NV自旋弛豫對比的全光成像方式，特別適用於(yu) 強離軸磁場成像。
圖1
所有三種成像方式均在同一寬視場磁成像顯微鏡上進行，見圖1a。圖1所示為(wei) 金剛石基寬場磁成像的實驗布置。(a)為(wei) 儀(yi) 器原理圖，說明了綠色激光激發的倒置顯微鏡和用於(yu) 對植入金剛石的NV中心二維陣列的熒光成像的超晶狀體(ti) 顯微鏡照相機。右邊的爆炸組件顯示了安裝在裝有微波(MW)諧振器的玻璃蓋上的金剛石成像芯片。磁性樣品麵朝下放置在鑽石上。(b)為(wei) NV陣列的原始熒光圖像。感興(xing) 趣的磁性樣品不需要特殊處理，隻需將其與(yu) 2x2mm2金剛石成像芯片接觸即可。通過氮離子注入和隨後的退火，在金剛石中構建了二維近表麵NV中心陣列。注入能量為(wei) 20kev，平均NV深度約為(wei) 30 nm。NV陣列由532 nm的綠色激光照射，產(chan) 生的紅色熒光(650-750 nm)在scmos相機上成像，見圖1b。采用尼康×40, 1.2 NA油物鏡，獲得100× 100μm2的視場，光功率密度為(wei) 30 W/ mm2。微波(MW)激發是由放置在金剛石成像芯片下方的玻璃蓋上的一個(ge) 諧振器提供的，用於(yu) 從(cong) 陣列中的NV自旋獲取ODMR光譜。
圖1c顯示了在有和沒有外部磁場的情況下，從(cong) 整個(ge) 視場的集成信號中獲得的典型ODMR頻譜。每個(ge) NV中心的基態電子自旋亞(ya) 能級ms=±1在局域磁場存在下發生塞曼分裂，導致 ∆f= ±γeBNV/2π的自旋能級發生頻移，其中γe為(wei) 電子回旋磁比，BNV為(wei) 沿NV對稱軸的磁場投影。假設[N]到[NV]的轉換效率為(wei) 1%，NV中心沿金剛石的四個(ge) 111晶體(ti) 軸隨機取向，平均間距為(wei) 20 nm。因此，ODMR譜呈現出四對共振線，對應於(yu) BNV,i=1.4的磁場投影。
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