高壓NV顯微鏡｜特殊環(huán)境下的量子精密磁測量

實現(xiàn)在超高壓環(huán)境下（達(dá) 30 GPa 及以上）對微納米尺度樣品的磁場、壓力及溫度信號的高靈敏度定量表征。

關(guān)聯(lián)電子體系的新奇量子態(tài)是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理的核心命題。靜水壓作為潔凈的熱力學(xué)參量，能不引入摻雜而連續(xù)驅(qū)動量子相變。從銅基、鎳基超導(dǎo)到高壓氫化物室溫超導(dǎo)跡象，高壓已是探索物質(zhì)新態(tài)的關(guān)鍵維度。但當(dāng)樣品被封入金剛石對頂砧的高壓腔，傳統(tǒng)磁測量手段受限于分辨率與靈敏度，只能給出平均磁響應(yīng)，難以分辨局域磁結(jié)構(gòu)的演化。

可在低溫、強(qiáng)磁場、高壓等特殊條件下，實現(xiàn)局域磁場的原位成像。

01高壓下的磁場，為什么難以“看見"？

從而產(chǎn)生幾十GPa量級的壓力。

這種結(jié)構(gòu)很適合研究材料在高壓下的性質(zhì)，卻也給磁測量帶來難題：樣品尺寸很小，周圍又被DAC結(jié)構(gòu)包圍，常規(guī)磁測手段難以接近樣品區(qū)域。因此研究者往往只能獲得整體、平均的磁學(xué)信號，難以分辨樣品中不同位置的局域差異，且難以將其從DAC結(jié)構(gòu)的背景信號中分離出來。

高壓NV顯微鏡所解決的，正是這一類高壓下原位弱磁測量和局域磁成像需求。

02高壓NV顯微鏡：在特殊環(huán)境下讀取局域磁場

NV色心是金剛石晶體中的一種缺陷，其量子態(tài)對局域磁場十分敏感，是一種原子尺寸的量子傳感器。

在高壓NV顯微鏡中，大量NV色心被集成在金剛石砧面附近。實驗時，系統(tǒng)通過光學(xué)激發(fā)和微波操控讀取NV自旋狀態(tài)的變化；樣品產(chǎn)生的局域磁場會改變相應(yīng)信號。對樣品區(qū)域逐點掃描后，即可重建磁場分布圖。

這意味著，DAC內(nèi)的微小樣品不再只是一個難以接近的黑箱。研究人員可以在高壓環(huán)境下原位獲取樣品附近的局域磁場分布，并進(jìn)一步關(guān)聯(lián)溫度、壓力和磁場等實驗條件。

03為高壓磁成像而設(shè)計的特殊條件能力

高壓NV顯微鏡集成高壓產(chǎn)生、低溫強(qiáng)磁環(huán)境、NV磁成像及測量控制模塊，面向復(fù)雜高壓實驗提供成套化配置。

系統(tǒng)關(guān)鍵性能包括：

最大壓力：≥ 30 GPa

工作溫度：2～300 K

外加磁場：?9 T至 +9 T，支持連續(xù)自動掃場

空間分辨率：≤ 500 nm

磁探測靈敏度：≤ 100 μT/√Hz

在高壓實驗中，搭建、對準(zhǔn)和穩(wěn)定運(yùn)行往往需要大量經(jīng)驗。一站式方案將高壓平臺、低溫強(qiáng)磁環(huán)境和量子傳感測量鏈路整合起來，幫助用戶把更多精力放在樣品與科學(xué)問題上。

04從宏觀平均信號，走向局域原位觀察

高壓NV顯微鏡適用于需要在特殊條件下研究局域磁性的場景，包括：

高壓超導(dǎo)研究

高壓下的超導(dǎo)樣品可能存在空間不均勻性。利用局域磁成像，可原位觀察超導(dǎo)抗磁性，為研究超導(dǎo)區(qū)域的分布及其演化提供直接依據(jù)。

磁性材料與磁相變研究

高壓NV顯微鏡以亞微米空間分辨率，直接成像樣品在加壓過程中的局域磁化強(qiáng)度與磁疇分布，從而區(qū)分"均勻相變"與"空間相分離"兩種本質(zhì)不同的演化路徑。

拓?fù)渑c強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子材料研究

對于新型量子材料，微觀磁性常與電子關(guān)聯(lián)、應(yīng)力狀態(tài)和相變行為緊密相關(guān)。高壓NV顯微鏡提供了一種原位磁學(xué)表征手段，可與其他高壓測試結(jié)果互相印證。

05實測案例：鎳基超導(dǎo)體邁斯納效應(yīng)

在鎳基超導(dǎo)中，高壓條件是獲得相關(guān)超導(dǎo)態(tài)的重要前提。高壓NV顯微鏡已實現(xiàn)鎳基超導(dǎo)體邁斯納態(tài)的磁成像測量，捕捉到樣品在不同壓力和溫度條件下的局域磁響應(yīng)。

通過磁場分布圖與測量曲線，研究人員能夠觀察樣品在相應(yīng)實驗條件下的磁屏蔽特征。這類原位結(jié)果為高壓超導(dǎo)研究提供了更具空間分辨能力的實驗視角。

06打開特殊條件下的微觀磁學(xué)視野

從高壓超導(dǎo)到磁相變，從新型量子材料到特殊條件物性研究，越來越多的問題需要回答材料在微觀尺度上“哪里發(fā)生了變化"。

它讓高壓下難以觸及的磁學(xué)信息變得可測、可視，也為探索特殊條件下材料的新性質(zhì)提供了新的實驗路徑。

如您正在開展高壓超導(dǎo)、磁性材料或量子材料相關(guān)研究，歡迎聯(lián)系國儀量子，了解高壓NV顯微鏡的詳細(xì)配置與應(yīng)用方案。