利用NV自旋的磁光成像技术

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利用NV自旋的磁光成像技术

磁成像技术通常以其空间和时间分辨率为特征，但灵敏度、场干扰、样品损坏、视场、成本和易用性等标准对于广泛的适用性至关重要，这zui终推动了人们对先jin材料和应用中磁性理解的未来发展。电子和X射线显微镜可以提供低至几纳米的高空间分辨率，但耗时，需要昂贵的复杂仪器，仔细的样品制备和高真空环境。磁力显微镜(MFM)通常用于表征磁性器件，但由于其侵入性磁尖，固有的速度很慢，不适合成像脆弱的磁化状态。另一方面，磁光克尔效应显微镜(MOKE)是一种非侵入性光学技术，在进一步了解自旋霍尔效应和zui近在环境条件下形成的磁性斯基米子气泡方面发挥了巨大作用。MOKE的主要限制是它适用于表现出强克尔响应的材料。有源MOKE层已应用于某些材料类型以诱导MOKE响应，然而这种侵入性方法可能会影响所研究器件的磁性。

基于量子自旋态对外部磁场的敏感性，固体自旋系统为磁成像提供了一种新的方法。特别是，金刚石中带负电的氮空位(NV)中心在室温环境下表现出竞争性的磁灵敏度。基于金刚石的成像技术已经发展用于生物细胞、载流导线、顺磁分子和固态现象。

更具体地说人们可以利用金刚石中NV中心的磁灵敏度对铁磁薄膜中的杂散磁场进行成像。该技术适用于任何具有杂散磁场的磁性材料，并且在环境条件下只需将材料与金刚石成像芯片接触即可实现高通量操作。该仪器由一个传统的商用宽视场荧光显微镜和一个钻石成像芯片组成，磁性样品安装在该芯片上。磁性对比是由在金刚石表面下设计的NV缺陷中心发出的荧光信号获得的，系统提供三种不同的成像方式，可以单独使用或组合使用。首先，在没有外加磁场的情况下，可以使用NV自旋的光学检测磁共振(ODMR)来解析磁位的等磁场线。第二以定量地绘制整个视场中每个单独位的杂散磁场，并将结果与记录介质的理论模拟进行比较。zui后，可以利用基于NV自旋弛豫对比的全光成像方式，特别适用于强离轴磁场成像。

图1

所有三种成像方式均在同一宽视场磁成像显微镜上进行，见图1a。图1所示为金刚石基宽场磁成像的实验布置。(a)为仪器原理图，说明了绿色激光激发的倒置显微镜和用于对植入金刚石的NV中心二维阵列的荧光成像的超晶状体显微镜照相机。右边的爆炸组件显示了安装在装有微波(MW)谐振器的玻璃盖上的金刚石成像芯片。磁性样品面朝下放置在钻石上。(b)为 NV阵列的原始荧光图像。感兴趣的磁性样品不需要特殊处理，只需将其与2x2mm²金刚石成像芯片接触即可。通过氮离子注入和随后的退火，在金刚石中构建了二维近表面NV中心阵列。注入能量为20kev，平均NV深度约为30 nm。NV阵列由532 nm的绿色激光照射，产生的红色荧光(650-750 nm)在scmos相机上成像，见图1b。采用尼康×40, 1.2 NA油物镜，获得100× 100μm²的视场，光功率密度为30 W/ mm²。微波(MW)激发是由放置在金刚石成像芯片下方的玻璃盖上的一个谐振器提供的，用于从阵列中的NV自旋获取ODMR光谱。

图1c显示了在有和没有外部磁场的情况下，从整个视场的集成信号中获得的典型ODMR频谱。每个NV中心的基态电子自旋亚能级m_s=±1在局域磁场存在下发生塞曼分裂，导致 ∆f= ±γ_eB_NV/2π的自旋能级发生频移，其中γ_e为电子回旋磁比，B_NV为沿NV对称轴的磁场投影。假设[N]到[NV]的转换效率为1%，NV中心沿金刚石的四个111晶体轴随机取向，平均间距为20 nm。因此，ODMR谱呈现出四对共振线，对应于B_NV,i=1.4的磁场投影。

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