磁性材料領(lǐng)域的成像提供了對(duì)磁性周圍物理和化學(xué)過(guò)程的重要見解，并且已經(jīng)成為磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)驚人發(fā)展的關(guān)鍵因素位仁。使用磁光克爾效應(yīng)柑贞、x射線和電子顯微鏡的現(xiàn)有方法存在限制進(jìn)一步發(fā)展的局限性，并且對(duì)高空間分辨率實(shí)時(shí)成像和表征磁現(xiàn)象的需求越來(lái)越大聂抢。
利用NV自旋的磁光成像技術(shù)
磁成像技術(shù)通常以其空間和時(shí)間分辨率為特征钧嘶，但靈敏度、場(chǎng)干擾琳疏、樣品損壞有决、視場(chǎng)、成本和易用性等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于廣泛的適用性至關(guān)重要轿亮，這推動(dòng)了人們對(duì)先jin材料和應(yīng)用中磁性理解的未來(lái)發(fā)展疮薇。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(shí)我注，需要昂貴的復(fù)雜儀器按咒，仔細(xì)的樣品制備和高真空環(huán)境。磁力顯微鏡(MFM)通常用于表征磁性器件但骨，但由于其侵入性磁尖励七，固有的速度很慢，不適合成像脆弱的磁化狀態(tài)奔缠。另一方面掠抬，磁光克爾效應(yīng)顯微鏡(MOKE)是一種非侵入性光學(xué)技術(shù)，在進(jìn)一步了解自旋霍爾效應(yīng)和zui近在環(huán)境條件下形成的磁性斯基米子氣泡方面發(fā)揮了巨大作用校哎。MOKE的主要限制是它適用于表現(xiàn)出強(qiáng)克爾響應(yīng)的材料两波。有源MOKE層已應(yīng)用于某些材料類型以誘導(dǎo)MOKE響應(yīng)，然而這種侵入性方法可能會(huì)影響所研究器件的磁性闷哆。
基于量子自旋態(tài)對(duì)外部磁場(chǎng)的敏感性腰奋，固體自旋系統(tǒng)為磁成像提供了一種新的方法。特別是抱怔，金剛石中帶負(fù)電的氮空位(NV)中心在室溫環(huán)境下表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)性的磁靈敏度劣坊。基于金剛石的成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展用于生物細(xì)胞屈留、載流導(dǎo)線局冰、順磁分子和固態(tài)現(xiàn)象测蘑。
更具體地說(shuō)人們可以利用金剛石中NV中心的磁靈敏度對(duì)鐵磁薄膜中的雜散磁場(chǎng)進(jìn)行成像。該技術(shù)適用于任何具有雜散磁場(chǎng)的磁性材料康二，并且在環(huán)境條件下只需將材料與金剛石成像芯片接觸即可實(shí)現(xiàn)高通量操作碳胳。該儀器由一個(gè)傳統(tǒng)的商用寬視場(chǎng)熒光顯微鏡和一個(gè)鉆石成像芯片組成，磁性樣品安裝在該芯片上赠摇。磁性對(duì)比是由在金剛石表面下設(shè)計(jì)的NV缺陷中心發(fā)出的熒光信號(hào)獲得的固逗，系統(tǒng)提供三種不同的成像方式，可以單獨(dú)使用或組合使用藕帜。首先烫罩，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，可以使用NV自旋的光學(xué)檢測(cè)磁共振(ODMR)來(lái)解析磁位的等磁場(chǎng)線洽故。第二以定量地繪制整個(gè)視場(chǎng)中每個(gè)單獨(dú)位的雜散磁場(chǎng)贝攒，并將結(jié)果與記錄介質(zhì)的理論模擬進(jìn)行比較。zui后时甚，可以利用基于NV自旋弛豫對(duì)比的全光成像方式隘弊，特別適用于強(qiáng)離軸磁場(chǎng)成像。
圖1
所有三種成像方式均在同一寬視場(chǎng)磁成像顯微鏡上進(jìn)行荒适，見圖1a梨熙。圖1所示為金剛石基寬場(chǎng)磁成像的實(shí)驗(yàn)布置隅茎。(a)為儀器原理圖吼虎，說(shuō)明了綠色激光激發(fā)的倒置顯微鏡和用于對(duì)植入金剛石的NV中心二維陣列的熒光成像的超晶狀體顯微鏡照相機(jī)汹忠。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炮车。磁性樣品面朝下放置在鉆石上。(b)為 NV陣列的原始熒光圖像奸鸯。感興趣的磁性樣品不需要特殊處理绑嘹，只需將其與2x2mm2金剛石成像芯片接觸即可祠丝。通過(guò)氮離子注入和隨后的退火糠馆，在金剛石中構(gòu)建了二維近表面NV中心陣列嘶伟。注入能量為20kev，平均NV深度約為30 nm又碌。NV陣列由532 nm的綠色激光照射九昧，產(chǎn)生的紅色熒光(650-750 nm)在scmos相機(jī)上成像，見圖1b毕匀。采用尼康×40, 1.2 NA油物鏡铸鹰，獲得100× 100μm2的視場(chǎng)，光功率密度為30 W/ mm2期揪。微波(MW)激發(fā)是由放置在金剛石成像芯片下方的玻璃蓋上的一個(gè)諧振器提供的，用于從陣列中的NV自旋獲取ODMR光譜规个。
圖1c顯示了在有和沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下凤薛，從整個(gè)視場(chǎng)的集成信號(hào)中獲得的典型ODMR頻譜姓建。每個(gè)NV中心的基態(tài)電子自旋亞能級(jí)ms=±1在局域磁場(chǎng)存在下發(fā)生塞曼分裂，導(dǎo)致 ?f= ±γeBNV/2π的自旋能級(jí)發(fā)生頻移缤苫，其中γe為電子回旋磁比速兔，BNV為沿NV對(duì)稱軸的磁場(chǎng)投影。假設(shè)[N]到[NV]的轉(zhuǎn)換效率為1%活玲，NV中心沿金剛石的四個(gè)111晶體軸隨機(jī)取向涣狗，平均間距為20 nm。因此舒憾，ODMR譜呈現(xiàn)出四對(duì)共振線镀钓，對(duì)應(yīng)于BNV,i=1.4的磁場(chǎng)投影。
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