Construction and operation of a tabletop system for nanoscale magnetometry with single nitrogen-vacancy centers in diamond
金刚石中的单个氮空位中心是固态量子磁强计的主要候选者，该磁强计能够检测单个核自旋，并具有在纳米尺度下的核磁共振（NMR）的应用前景。尽管如此，许多化学家和生物学家仍然不太容易使用NV磁力计，因为它的实验设置和操作原理与传统的NMR完全不同。在这里，我们设计，构建和操作一个紧凑的桌面大小的系统，量子传感与一个单一的NV中心，主要是从商业上可用的光学元件和电子产品。我们表明，我们的设置可以实现国家的最先进的量子传感协议，使检测单个$^{13}$ C核自旋在金刚石和它们的相互作用参数的表征，以及检测一个小的合奏质子核自旋在金刚石表面上。这篇文章提供了广泛的讨论的设置和实验程序的细节，我们的系统将重现那些谁没有在NV中心以前的工作。
2020-02-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Imaging mesoscopic nuclear spin noise with a diamond magnetometer
磁共振成像（MRI）可以利用组织的不同物理和生化特性来表征和区分组织。遗憾的是，主要由于缺乏检测灵敏度，目前不可能对生物样本进行亚微米筛选。在这里，我们分析了使用金刚石中的氮空位中心作为纳米级核自旋成像和光谱的磁传感器。我们检查这样的传感器的能力，探测的“经典”偶极场的波动，由于大量的相邻的核自旋在一个密集的质子化样品。我们确定的检测协议，适当地考虑到传感器的量子特性，并找到一个符合现实的实验参数的信噪比。通过各种实例计算，我们说明了不同种类的图像对比度。特别是，我们展示了如何利用相对较长的核自旋相关时间来重建一个本地的，高分辨率的样品光谱。
2010-04-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Room-temperature detection of single 20 nm super-paramagnetic nanoparticles with an imaging magnetometer
我们展示了室温下检测单个20 nm的超顺磁性纳米粒子（SPN）的宽视场光学显微镜平台，适合于生物集成。颗粒由磁铁矿（Fe3O4）制成，因此无毒且生物相容。检测是通过使用金刚石中的氮空位缺陷中心的光学检测磁共振成像来完成的，导致DC磁场检测限为2.3 μT。这标志着SPN检测向前迈出了一大步，我们预计它将允许开发能够检测单个分子结合事件的基于磁场的生物传感器。
2014-03-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Scanning gradiometry with a single spin quantum magnetometer
在这里，我们展示了一种梯度测量技术，显着提高了测量灵敏度的静态场，导致新的机会，在弱磁系统的成像。我们的方法依赖于一个单一的氮空位中心在扫描金刚石探针，上转换成交流磁场，使使用敏感的交流量子协议的局部空间梯度尖端的机械振荡。我们表明，梯度法提供了重要的优势，静态场成像：（i）一个数量级更好的灵敏度，（ii）一个更本地化和更清晰的图像，（iii）一个强大的抑制场漂移。我们展示了梯度测量的能力，通过成像纳米特斯拉领域出现以上的地形缺陷和原子步骤中的反铁磁体，直流石墨烯设备，以及顺磁性和抗磁性金属。
2022-02-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Novel Fabrication of Micromechanical Oscillators with Nanoscale Sensitivity at Room Temperature
我们报告超灵敏微机械振荡器的设计，制造和实施。我们的具有集成磁性结构的单晶硅悬臂梁是同类产品中的第一款：它们采用新型高产量工艺制造，其中磁性薄膜图案化和沉积与悬臂梁制造相结合。这些新的设备已被开发用于悬臂式磁强计和核磁共振力显微镜（MRFM）的力传感器。这两个应用程序已经实现了纳米级的分辨率使用本工作中描述的杠杆。当用作磁力计时，该器件实现的电流磁矩灵敏度在室温下为10^{-15} J/T，与传统磁力计相比，灵敏度提高了1000倍以上。目前MRFM悬臂梁的室温力灵敏度在1 Hz带宽内为~10^{-16} N，这与其类型的类似装置的室温灵敏度相当。有限元建模用于改进设计参数，确保装置满足实验要求，并将模态形状与观测结果相关联。优化了MEMS制造工艺，平均产率约为85%，取向优于1000 nm。当需要纳米尺度尺寸时，使用制造后聚焦离子束铣削来进一步图案化集成磁性结构。
2006-08-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Nuclear Quantum-Assisted Magnetometer
磁传感和成像仪器是生物和材料科学中的重要工具。人们对获得更高的灵敏度和空间分辨率的需求越来越大，使用单个量子位的实现方式在两个方向上都有潜在的改进。本文介绍了一种以金刚石中氮空位中心为传感器的扫描磁强计。通过量子辅助读出方案连同光子收集效率的进步，我们的设备表现出的信噪比的增强接近一个数量级相比，氮空位中心的标准荧光读出。通过比较$T_1$弛豫时间测量中的非辅助和辅助方法来证明这一点。
2017-01-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale electrical conductivity imaging using a nitrogen-vacancy center in diamond
材料的电导率可以具有微妙的，非平凡的和空间变化的特征，并对材料的基本物理特性具有重要的洞察力。在这里，我们展示了一种基于金刚石中原子大小的氮空位（NV）缺陷的电导率成像技术，该技术提供了具有纳米级空间分辨率的局部，定量和非侵入性电导率成像。我们监测的自旋弛豫率的一个单一的NV中心的扫描探针的几何形状，以定量成像的热电子运动在纳米图案化的金属导体产生的磁波动。我们实现了40纳米尺度的电导率的空间分辨率，并实现了25倍的成像速度增加，通过实施自旋-电荷转换读出浅NV中心。基于NV的电导率成像可以探测凝聚态系统在一个新的制度，作为一个模型的例子，我们项目容易实现的纳米级相分离的复杂氧化物的成像。
2017-12-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fourier Magnetic Imaging with Nanoscale Resolution and Compressed Sensing Speed-up using Electronic Spins in Diamond
使用金刚石中的氮空位（NV）色心的光学检测的磁共振是用于纳米级磁场成像的主要模式，因为其提供单电子自旋灵敏度、优于1 nm的三维分辨率以及在环境条件下对广泛的物理和生物样品的适用性。然而，迄今为止，NV-金刚石磁成像已经使用实空间技术来执行，实空间技术要么被光学衍射限制到250 nm分辨率，要么需要缓慢的逐点扫描以获得纳米级分辨率，例如，使用原子力显微镜、磁性尖端或超分辨率光学成像。在这里，我们介绍了一种替代技术的傅立叶磁成像使用NV-金刚石。与传统的磁共振成像（MRI）类似，我们采用脉冲磁场梯度对波数或k空间中NV电子自旋的空间信息进行相位编码，然后进行快速傅立叶变换，以产生具有纳米级分辨率、宽视场（FOV）和压缩传感加速的实空间图像。
2014-09-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultra-sensitive Diamond Magnetometry Using Optimal Dynamic Decoupling
近年来，基于金刚石中氮空位（NV）缺陷的新型磁测量技术作为探测纳米尺度磁环境的一种手段受到了广泛关注。单个NV磁力计的灵敏度主要由横向自旋弛豫时间$T_2$确定。目前提高灵敏度的方法采用以空间分辨率为代价的具有高NV密度的晶体，或者通过制造新的同位素纯金刚石晶体来扩展$T_2$。我们采用了一种互补的方法，其中最佳的动态解耦技术延长了自相关时间的自旋浴的相干时间。这表明单自旋，室温磁强计灵敏度低至5“，pT”，Hz $^{-1/2}$与当前技术。
2010-03-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-dynamic-range imaging of nanoscale magnetic fields using optimal control of a single qubit
我们提出了一种新的光谱协议的基础上的单量子系统的最优控制。它能实现具有量子极限灵敏度（η_ω~ 1/sqrt（T_2^*），T_2 ^* 表示系统的相干时间）的测量，但其动态范围比以前用于该任务的脉冲光谱方法大几个数量级。我们采用这种协议的图像纳米磁场与一个单一的扫描NV中心的钻石。在这里，我们的计划，使一个强烈的不均匀的领域在一个单一的扫描定量成像，而无需闭环控制，这是以前必须实现这一目标。
2013-07-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
A robust, scanning quantum system for nanoscale sensing and imaging
可控的原子尺度量子系统作为纳米成像和计量学的敏感工具具有巨大的潜力。可能的应用范围从纳米级电场和磁场传感到单光子显微镜、量子信息处理和生物成像。这种方案的核心是能够扫描和准确定位感兴趣样品的几纳米内的鲁棒传感器，同时保持传感器的量子相干性和读出保真度。这些组合的要求对于依赖于将单个固态量子系统或单分子直接接枝到扫描探针尖端上的所有现有方法来说仍然是一个挑战。在这里，我们展示了一个强大的和隔离的原子级量子传感器的扫描探针显微镜的制造和室温操作。具体来说，我们采用了高纯度，单晶金刚石纳米柱探针含有一个单一的氮空位（NV）的颜色中心。我们通过进行定量纳米级磁场成像和近场单光子荧光淬灭显微镜来说明我们的扫描NV传感器的多功能性和性能。在这两种情况下，我们获得的成像分辨率在20 nm的范围内和灵敏度前所未有的扫描量子探针显微镜。
2011-08-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale electric-field imaging based on a quantum sensor and its charge-state control under ambient condition
金刚石中的氮空位（NV）中心可以用作量子传感器，以纳米级分辨率成像磁场。然而，由于NV和电场之间的耦合强度相对较弱，迄今为止尚未实现纳米级电场映射。使用单个浅NVs，在这里，我们成功地定量成像电场的轮廓从一个尖锐的尖端的qPlus为基础的原子力显微镜（AFM），并实现了约10 nm的空间分辨率。通过这样的局部电场，我们展示了NV的电荷状态的电子控制，精度低于5 nm。这项工作代表了第一步纳米扫描电基于一个单一的量子传感器，并可能开辟新的可能性，定量映射本地电荷，电极化的强度，介电响应在一个广泛的光谱功能材料在纳米尺度。
2020-11-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale microwave imaging with a single electron spin in diamond
我们报告的微波（MW）磁场成像使用磁力计的基础上，在金刚石中的氮空位中心的电子自旋。我们定量图像的磁场产生的高频（GHz）MW电流与纳米级分辨率使用扫描探针技术。我们证明了MW磁场的灵敏度在几个nT/ $\sqrt{\text{Hz}}$，极化选择和宽带能力的范围内，在环境条件下，从而建立了氮空位中心的多功能和高性能的工具，用于检测MW领域。作为这种扫描MW探测器的第一个应用，我们确定了带状线中的MW电流密度，并证明了几个nA/ $\sqrt{\text{Hz}}$的MW电流灵敏度
2015-11-13 cond-mat.mes-hall
Direct measurement of interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in X/CoFeB/MgO heterostructures with a scanning-NV magnetometer
Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用（Dzyaloshinskiii-Moriya Interaction，简称Dzyaloshinskii-Moriya）由于其在铁磁体手性自旋织构稳定中的重要作用而引起了人们的极大兴趣。在这里，我们采用了基于金刚石中的单个氮空位（NV）缺陷的扫描纳米磁力计，以局部探测在不同的重金属底层X=Ta，TaN和W上生长的CoFeB/MgO纳米晶薄膜的界面结合强度。通过测量这些材料的微米长导线中从DW发出的杂散场，我们观察到TaN和W底层的布洛赫分布的偏差，这些偏差与有利于右手手性自旋结构的正向散射值一致。此外，我们的测量结果表明，在一个单一的样品中，磁常数可能会发生局部变化，说明了在纳米级的磁序研究的重要性，本地探针。
2016-05-23 cond-mat.mes-hall
(111)-oriented, single crystal diamond tips for nanoscale scanning probe imaging of out-of-plane magnetic fields
本文提出了一种用于（111）取向金刚石材料的氮空位（NV）磁扫描的全金刚石扫描探针。所实现的扫描探针尖端平均包含单个NV自旋，其中四分之一的自旋量子化轴平行于尖端方向对齐。这种尖端能够实现具有纳米级分辨率的单轴矢量磁场成像，其中测量轴垂直于扫描平面定向。我们讨论了这些提示如何为NV磁力测量带来多种实际优势，特别是关于所得数据的定量分析。我们进一步证明了沿尖端方向取向的NV的有益光学性质，例如偏振不敏感激发，这简化了NV磁力测量所需的光学设置。我们的研究结果将是有影响力的扫描NV磁强计在一般和自旋电子学的应用，特别是薄膜磁体的调查。
2019-11-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum control of proximal spins using nanoscale magnetic resonance imaging
凝聚态系统中单个自旋的量子控制是一个新兴领域，在自旋电子学、量子计算和灵敏磁力学中具有广泛的应用。最近的实验已经证明了通过光学或电学技术解决和操纵单电子自旋的能力。然而，将单个自旋控制扩展到纳米级多电子系统是一个挑战，因为单个自旋通常无法用现有方法解析。在这里，我们表明，相干的个人自旋控制可以实现与近端电子自旋的几个纳米的分辨率，通过执行单自旋磁共振成像（MRI），这是通过扫描磁场梯度，既强到足以实现纳米空间分辨率和足够稳定的相干自旋操纵实现。我们将这种扫描场梯度MRI技术应用于金刚石中氮空位（NV）中心的电子自旋，并在成像，表征和操纵单个自旋中实现纳米分辨率。对于NV中心，我们的研究结果表明，在个人的自旋控制的空间分辨率相比，传统的光学衍射限制技术的近两个数量级的改善。这种扫描场梯度显微镜能够实现广泛的应用，包括材料表征，自旋纠缠和纳米级磁力测量。
2011-03-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale fluorescence lifetime imaging with a single diamond NV center
固态量子发射体，例如人工工程量子点或固体中天然存在的缺陷，正在被研究用于从量子信息科学和光电子学到生物医学成像的应用。最近，这些相同的系统也从纳米计量学的角度进行了研究。在这封信中，我们研究的近场光学性质的金刚石晶体托管一个单一的氮空位中心。我们发现氮空位中心是周围电磁模式结构的灵敏探针。我们利用这种敏感性，以证明纳米级荧光寿命成像显微镜（FLIM）与一个单一的氮空位中心成像的光学天线的局部态密度。
2013-03-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Correlative nanoscale imaging of strained hBN spin defects
像六方氮化硼（hBN）中的带负电荷的硼空位色心（$V_B^-$）的自旋缺陷可以实现具有层状范德华异质结构中的近表面缺陷的新形式的量子传感。在这里，我们揭示了与hBN薄片上的$V_B^-$和$V_B$色心与相关的阴极发光和光致发光显微镜的折痕相关的应变的效果。我们观察到强烈的本地化增强和红移的$V_B^-$发光的折痕，一致的密度泛函理论计算显示$V_B^-$迁移到中等单轴压缩应变的地区。利用高度局部应变操纵这些自旋缺陷的能力为未来的2D量子传感器提供了有趣的可能性。
2022-03-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Pulsed magnetic field gradient on a tip for nanoscale imaging of spins
本文提出一种基于石英尖端金属微丝的脉冲磁场梯度器件，结合单个NV色心传感器，在低于200 μT场强下实现1 μT/nm梯度，支持1 nm分辨率电子自旋成像，并利用尖端近场调控Rabi功率实现选择性自旋操控。
2025-03-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Fiber-coupled Scanning Magnetometer with Nitrogen-Vacancy Spins in a Diamond Nanobeam
本文提出一种金刚石纳米梁与锥形光纤耦合的扫描NV磁强计，实现全光纤激发与读出，并通过成像YIG薄膜自旋波验证其磁测量能力，适用于毫开尔文等受限环境。
2023-02-24 cond-mat.mes-hall
Sub-nanometer resolution in three-dimensional magnetic-resonance imaging of individual dark spins
磁共振成像（MRI）通过提供非侵入性三维生物成像而彻底改变了生物医学科学。然而，常规MRI系统中的空间分辨率限于数十微米，这不足以在分子和原子尺度上成像。在这里，我们展示了一种MRI技术，提供了亚纳米空间分辨率在三维空间，与单电子自旋灵敏度。我们的成像方法在环境条件下工作，可以测量无处不在的“暗”自旋，这构成了几乎所有感兴趣的自旋目标，否则无法单独检测。在这项技术中，使用位于金刚石芯片表面附近的单个氮空位（NV）磁力计测量暗自旋的磁量子投影噪声。NV磁力计周围的自旋的空间分布用扫描磁场梯度成像。为了评估NV-MRI技术的性能，我们在金刚石表面及其下方对暗电子自旋的三维景观进行成像，并实现了前所未有的分辨率（横向0.8 nm，垂直1.5 nm）和单自旋灵敏度的组合。我们的测量揭示了金刚石表面上先前未识别的电子自旋，这可能被用作改善NV金刚石传感器附近样品磁成像的资源。这种三维NV-MRI技术可立即应用于各种系统，包括自旋链成像，单个自旋量子位的读出，以及确定生物系统中自旋标签的精确位置。
2014-01-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
A robust, fiber-coupled scanning probe magnetometer using electron spins at the tip of a diamond nanobeam
本文提出一种基于光纤耦合金刚石纳米梁尖端NV自旋的磁成像探针，通过倾斜离子注入和光纤粘合实现鲁棒可移动设计，并验证了对载流导线磁场的成像能力，为量子材料与生物样本研究提供新途径。
2024-07-22 cond-mat.mes-hall
High-efficiency resonant amplification of weak magnetic fields for single spin magnetometry
我们从理论上证明，通过将铁磁粒子之间的氮空位（NV）磁强计和目标自旋，磁强计的灵敏度显着增加。具体而言，使用实验上已经可用的材料和技术，我们发现，通过利用铁磁共振，可以测量的最小磁矩与当前最先进的磁力计相比小四个数量级。因此，我们提出的设置是足够敏感的检测一个单一的核自旋在距离$30$ ~nm的表面在不到一秒的数据采集在室温下。我们的提议为在环境条件下对生物材料进行纳米级NMR打开了大门。
2014-09-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
Selective addressing of solid-state spins at the nanoscale via magnetic resonance frequency encoding
金刚石中的氮空位（NV）中心是纳米级传感和成像以及固态量子信息处理的领先平台。到目前为止，已经证明了在纳米尺度上对两个NV电子自旋的单独控制。然而，一个关键的挑战是将这种控制扩展到NV自旋阵列。在这里，我们应用纳米级磁共振频率编码，以实现网站选择性寻址和一致性控制的四个网站阵列的NV自旋。阵列中的位点间隔100 nm，每个位点含有间隔约15 nm的多个NV。在金刚石芯片上制造的微线圈提供约0.1 G/nm的电可调磁场梯度。梯度场和共振微波的定制应用允许位点选择性NV自旋操纵和感测应用，包括拉比振荡、成像和具有纳米级分辨率的核磁共振（NMR）光谱。基于微线圈的固态自旋磁共振为量子辅助传感、量子信息处理和纳米自旋网络的研究提供了一个实用的平台。
2016-10-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Planar scanning probe microscopy enables vector magnetic field imaging at the nanoscale
University of Rostock（罗斯托克大学）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics（弗劳恩霍夫应用固态物理研究所）；Walther-Meißner-Institut, Bayerische Akademie der Wissenschaften（瓦尔特-迈斯纳研究所，巴伐利亚科学院）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
利用NV中心实现薄 films 磁性异质结构中磁涡的三维矢量磁场成像，无需样品侧纳米级微加工。
2024-09-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Accelerated nanoscale magnetic resonance imaging through phase multiplexing
我们报告了一种通过并行检测多个信号来加速纳米级核磁共振成像的方法。我们的技术依赖于相位复用，其中来自不同核自旋系综的信号被编码在超灵敏磁检测器的相位中。我们证明了这种技术，同时获得统计极化自旋信号从两个不同的核素（1H，19F）和多达六个空间位置的纳米线测试样品中使用磁共振力显微镜。我们获得了优于5 nm的一维成像分辨率和亚纳米级的位置精度。
2015-08-10 cond-mat.mes-hall
Nanoscale NMR Spectroscopy and Imaging of Multiple Nuclear Species
核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）是成熟的技术，可在不同的学科中提供有价值的信息，但目前仅限于宏观样品体积。在这里，我们展示了纳米级NMR光谱和成像环境条件下的样品含有多个核物种，使用氮空位（NV）的颜色中心作为传感器的钻石。与单一的，浅NV中心的金刚石芯片和样品放置在金刚石表面上，我们进行NMR光谱和一维MRI的几个纳米大小的样品含有$^1$ H和$^{19}$ F核。或者，我们采用高密度的NV层附近的金刚石芯片的表面，以证明宽场光学NMR光谱的纳米级样品含有$^1$ H，$^{19}$ F，和$^{31}$ P核，以及多物种的二维光学MRI与亚微米分辨率。对于暴露于空气中的所有金刚石样品，我们确定了一个无处不在的$^1$ H NMR信号，与金刚石表面上和置于金刚石上的任何样品下方的吸附烃或水的$\sim 1$ nm层一致。这项工作为纳米级NMR和MRI应用奠定了基础，例如单蛋白质的研究和亚细胞分辨率的功能生物成像，以及亚纳米分辨率的薄膜的表征。
2014-06-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Nanoscale vector electric field imaging using a single electron spin
在环境温度下执行元电荷的纳米级电场成像的能力将具有多种跨学科应用。虽然金刚石中的氮空位（NV）中心能够进行高灵敏度的电测量，但迄今为止，演示仅限于宏观场特征或金刚石本身内部的单电荷检测。在这项工作中，我们大大扩展了这些能力，通过使用浅NV中心图像的电场的带电原子力显微镜针尖与纳米级分辨率。这通过测量由于AC电场引起的NV自旋共振中的斯塔克位移来实现。为了实现这一壮举，我们首次采用了Qdyne与扫描量子显微镜的集成。我们证明了$η_e = 5.3$电荷/ $\sqrt{\text{Hz}}$和子电荷检测（$0.68e$）的近单电荷灵敏度。该概念验证实验提供了使用金刚石中的NV中心进一步感测和成像电场的动机。
2020-11-24 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Stray-field imaging of magnetic vortices with a single diamond spin
尽管在磁成像方面取得了数十年的进展，但以纳米尺度的空间分辨率获得直接的定量信息仍然是一个突出的挑战。最近，出现了一种新的技术，利用金刚石中的单个氮空位（NV）缺陷作为原子大小的磁力计。虽然NV磁测量法在磁成像方面有重大进展，但该技术在应用于现实的磁性纳米结构时的有效性仍有待证明。在这里，我们使用扫描NV磁力计对磁涡旋进行成像，由于涡旋核心的尺寸很小（约10 nm），磁涡旋是纳米磁性中最具标志性的对象之一。我们报告的杂散磁场的三维，矢量和定量测量的涡流发射的铁磁方点，包括检测的涡核。我们发现良好的协议与微磁模拟，无论是规则的涡旋结构和高阶磁化状态。这些实验建立了扫描NV磁强计作为一个实用的和独特的工具，在纳米磁学的基础研究。
2013-09-05 cond-mat.mes-hall
Nanoscale Magnetic Imaging using Circularly Polarized High-Harmonic Radiation
这项工作展示了使用明亮的圆偏振高谐波辐射的纳米级磁成像。我们利用Co/Pd多层膜结构中蠕虫状磁畴的磁光对比度，通过无透镜成像获得定量的振幅和相位图。采用全息掩模增强的迭代相位重建技术，实现了49 nm的衍射极限空间分辨率。利用高次谐波的独特相干性，这种方法将促进超快磁化动力学的定量，元素特异性和空间分辨研究，推进纳米磁性的基础和应用方面。
2017-06-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Magnetic domains and domain wall pinning in two-dimensional ferromagnets revealed by nanoscale imaging
磁畴结构和动力学在理解和控制二维磁体的磁性方面起着重要作用，这对基础研究和应用都很有意义[1-5]。然而，基于自旋相关的光学磁导率[1，2，6]和电导率[7-10]的探针方法既不能提供磁化强度的定量信息，也不能实现纳米级的空间分辨率。这些能力对于成像和理解磁畴的丰富特性至关重要。在这里，我们采用低温扫描磁强计使用单电子自旋的氮空位中心的金刚石探针，明确地证明了磁畴的存在，并研究它们的动力学在原子薄CrBr $_3$。该技术的高空间分辨率使得能够对磁畴进行成像，并且允许分辨被缺陷钉扎的畴壁。通过控制双层CrBr $_3$的磁畴演化，我们发现钉扎效应是主要的磁化机制，其饱和磁化强度约为26~ $μ_B$ /$^2$.通过微磁学模拟验证了磁畴结构和钉扎效应主导的磁畴反转过程。我们的工作突出了扫描氮空位中心磁强计作为一种定量探针，探索在纳米尺度上的二维磁性。
2020-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale Sensing Using Point Defects in Single-Crystal Diamond: Recent Progress on Nitrogen Vacancy Center-Based Sensors
固体中的单个发光点缺陷，即所谓的色心，是原子大小的量子系统，能够以纳米级的空间分辨率进行传感和成像。在这篇综述中，我们介绍了纳米级传感的基础上个别氮空位（NV）中心的钻石。我们讨论了该领域的两个主要挑战：第一，在单晶金刚石表面以下小于10 nm的高度相干的浅NV中心的创建。第二，尖端状光子纳米结构的制造，使有效的荧光收集，并可用于扫描探针成像的基础上的色心与纳米级的分辨率。
2017-05-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nonlinear imaging of nanoscale topological corner states
光的拓扑状态表示源自本体性质的有限尺寸光学结构的边界处局部化的违反直觉的光学模式。由体特性定义，这样的边界状态对某些类型的扰动不敏感，从而自然地增强光子电路的鲁棒性。传统上，N维体模对应于（N-1）维边界态。高阶体-边界对应将N维体与边界态联系起来，其维数减少了1以上。一个特别的兴趣在于这种高阶拓扑状态的纳米尺度的小型化。在这里，我们实现了纳米级拓扑角态的超表面与C6对称蜂窝晶格。我们直接观察到纳米级拓扑授权的光的边缘和角落的本地化和增强的光-物质相互作用，通过非线性成像技术。通过拓扑结构授权的纳米级的光控制可以促进经典和量子光子器件的小型化和片上集成。
2021-07-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Two-dimensional nanoscale imaging of gadolinium spins via scanning probe relaxometry with a single spin in diamond
用顺磁离子标记分子的自旋是确定分子结构的一种重要方法，然而目前的系综技术缺乏检测少数孤立自旋的灵敏度。在这封信中，我们展示了二维纳米成像的顺磁性钆化合物使用扫描弛豫法的一个单一的氮空位（NV）中心的钻石。附着于原子力显微镜尖端的钆喷酸葡胺可控地与NV中心相互作用并由NV中心检测，这是由于NV在由钆中的电子自旋翻转产生的波动磁场中表现出快速弛豫的事实。使用这种技术，我们证明了NV中心的$T_1$弛豫时间减少了两个数量级以上，探测的空间分辨率为20 nm。我们的研究结果显示了该技术的可行性，用于对附着在复杂纳米结构或生物分子上的单个自旋进行成像，以及研究孤立自旋的磁动力学。
2014-09-08 cond-mat.mes-hall
Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor
本文提出将金刚石氮-空位单自旋量子传感器的扫描磁成像能力从室温扩展到6 K低温，实现6 nm空间分辨率和3 μT/√Hz灵敏度，并成功对铁磷族超导体中的涡旋进行成像，为研究低温纳米尺度磁性提供了新手段。
2015-10-09 cond-mat.mes-hall
Nanoscale spectroscopic imaging of phase separation in a correlated material by resonant X-ray holography
纳米尺度的相共存和不均匀性在相关电子材料中普遍存在，存在于掺杂的莫特绝缘体、锰氧化物和高温超导体中。小的长度尺度和缺乏对比度机制使得测量具有高分辨率的相共存的真实空间图像极具挑战性。然而，图像帮助我们理解相共存和畴界如何决定奇异的材料特性。在这里，我们表明，共振软X射线全息，以前用于图像磁畴，可用于图像相分离的纳米尺度。利用线偏振相干同步辐射，我们观察到纳米尺寸的金属畴的成核和生长的绝缘相的原型相关材料VO2。通过对全息图的光谱分辨，我们提取了空间分辨率为50 nm的差分软X射线吸收谱。此外，当与超亮和超短X射线源相结合时，X射线全息术可以捕获纳米尺度的空间变化和时间波动，这些变化和时间波动发生在转变温度附近，或者由飞秒光脉冲引起，而这些变化和时间波动无法用其他成像方法观察到。
2017-11-30 cond-mat.mes-hall
Cryogenic photoluminescence imaging system for nanoscale positioning of single quantum emitters
我们报告了一个光致发光成像系统定位单量子发射器相对于对齐功能。在4 K闭合循环低温恒温器中，通过位于低温恒温器内的高数值孔径（NA=0.9，100 $\times$放大倍数）物镜询问样品，从而能够高效收集发射的光子，而不会因低温恒温器窗口而导致图像失真。在1~s长的采集时间内，用$\approx4.5$ ~nm的不确定度（一个标准差）确定了单个InAs/GaAs量子点在$>50$ ~ $μ$ m~ $\times$ ~50~ $μ$ m视场内的位置。通过用于定位量子点发射的极大似然估计和用于确定对准标记中心的互相关方法的组合来确定不确定性。这种定位技术可以是纳米光子器件的高通量创建中的重要步骤，该纳米光子器件依赖于高度受限的光学模式与单个量子发射器的相互作用。
2016-12-22 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Hyperspectral electromechanical imaging at the nanoscale: Dynamical backaction, dissipation and quantum fluctuations
本文提出一种扫描纳米机械噪声显微平台，通过热反作用模型揭示单缺陷纳米线结构、热响应、耗散与涨落的关联，发现缺陷作为单涨落中心在电子束激发下产生由量子涨落主导的远离平衡振动状态。
2024-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Nanoscale magnetization and current imaging using scanning-probe magneto-thermal microscopy
磁显微镜结合了纳米级的空间分辨率与皮秒级的时间分辨率，独特的时空磁现象，是相关的未来高速，高密度磁存储和逻辑技术的直接观察。结合这些指标的磁显微镜仅限于设施级仪器。为了解决这一差距，在实验室可访问的时空成像，我们开发了一个时间分辨近场磁显微镜的基础上磁热相互作用。我们展示了磁化和电流密度成像模式，每个空间分辨率远远超过光学衍射极限。此外，我们研究了我们的信号的近场和时间分辨特性，发现我们的仪器具有100 nm尺度的空间分辨率和低于100 ps的时间分辨率。我们的研究结果表明，一个访问和相对低成本的方法，以纳米级时空磁显微镜在桌面的形式，以帮助科学和技术的动态磁器件与复杂的自旋纹理。
2021-02-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Imaging thermal conductivity with nanoscale resolution using a scanning spin probe
探测材料中纳米级热流的能力通常受到缺乏空间分辨率的限制。在这里，我们使用一个金刚石的主持氮空位中心连接到一个硅热尖的顶点作为局部温度传感器。我们施加电流来加热尖端，并依靠NV来监测尖端与不同导热率的表面接触时所经历的热变化。借助相结合的AFM/共聚焦设置，我们的图像幻影微观结构与纳米级分辨率，并达到良好的协议之间的热导率和地形图。小质量和高热导率的金刚石主机，使我们的技术的时间响应短，我们证明了通过监测应用热脉冲后的尖端温度。我们的方法承诺多个应用，从纳米结构中的声子动力学的调查，在各种固态系统中的异质相变和化学反应的表征。
2015-11-21 cond-mat.mes-hall
Nanoscale imaging of equilibrium quantum Hall edge currents and of the magnetic monopole response in graphene
最近预测的拓扑磁电效应和响应的电荷，模仿一个诱导的镜像磁共振是基本属性的拓扑状态的时间反转对称性破缺的物质。使用SQUID尖端，同时作为一个可调的扫描电荷和超灵敏的纳米级磁强计，我们诱导和直接成像的微观电流产生的磁共振响应在石墨烯量子霍尔电子系统。我们发现了一个丰富而复杂的非线性行为所支配的共存的拓扑和非拓扑平衡电流，是没有捕捉到的duplex模型。此外，通过利用音叉，诱导纳米级振动的SQUID的尖端，我们直接图像的单个量子霍尔边缘状态的平衡电流的第一次。我们发现，边缘状态，通常被假定为只携带一个手性下游电流，实际上携带一对反向传播的电流，在不可压缩区域中的拓扑下游电流总是由迄今为止未观察到的非拓扑上游电流在相邻的可压缩区域流动抵消。对向传播的平衡态轨道电流的复杂模式为量子霍尔系统中拓扑和非拓扑电荷和能量流的微观起源提供了新的见解。
2019-08-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Nanoscale Thermal Imaging of VO$_2$ via Poole-Frenkel Conduction
我们提出了一种方法，利用原子力显微镜（AFM）的绝缘薄膜的纳米热成像，我们证明了它的效用VO $_2$。我们将施加的电压$V$扫描到接触模式的导电AFM针尖上，并测量通过薄膜的局部电流$I$。通过拟合的$IV$曲线的Poole-Frenkel导电模型在低$V$，我们计算的局部温度的空间分辨率优于50 nm，仅使用基本常数和已知的薄膜性能。我们的测温技术，使局部温度测量的\textit{any}绝缘膜占主导地位的Poole-Frenkel导电机制，并可以扩展到显示其他导电机制的绝缘体。
2022-04-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Nanoscale imaging of the electronic and structural transitions in vanadium dioxide
我们研究了二氧化钒（VO2）在其热驱动相变附近的纳米尺度上的电子和结构变化。电子和结构的变化表现出相共存，导致渗流。此外，我们观察到的局部电子和结构的转变之间的二分法。纳米级的X射线衍射揭示了晶格结构的局部非单调切换，这是一种在近场红外显微镜绘制的电子绝缘体到金属过渡中看不到的现象。
2011-09-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Microwave-free vector magnetometry with nitrogen-vacancy centers along a single axis in diamond
矢量磁场的检测在基础物理、生物成像和材料科学中有着重要的应用。利用氮空位（NV）中心的磁场传感器特别引人注目，因为它们即使在纳米级也能提供高灵敏度和空间分辨率。然而，实现矢量磁力测量通常需要顺序或同时施加微波，这限制了传感器在低温下的应用。在这里，我们提出并证明了微波免费矢量磁强计，同时测量所有的笛卡尔分量的磁场使用NV合奏钻石。特别地，本磁力计利用在102.4 mT的三重态基态中的水平反交叉，允许测量具有从零到兆赫范围的宽带宽的纵向场和横向场。通过沿优先NV轴和在横向平面中调制场以及随后的信号解调来提供全矢量感测能力。该传感器在所有方向上的均方根本底噪声约为300 pT/Hz^（1/2）。本技术广泛适用于整体传感器和潜在的单NV传感器，将矢量能力扩展到环境温度下的纳米级测量。
2020-04-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Imaging the Nanoscale Band Structure of Topological Sb
未来电子技术的许多有前途的构件--包括非化学计量的化合物、强相关的氧化物和应变或图案化的膜--在纳米长度尺度上是不均匀的。利用这种材料的不均匀性来设计下一代纳米器件需要具有纳米级空间分辨率的能带结构探针。为了满足这一需求，我们报告的第一个同时观察和定量和解的两个候选探针-朗道能级光谱和准粒子干涉成像-我们在这里聘请重建的多组分表面态的拓扑半金属锑（Sb）的能带结构。因此，我们建立了能带结构隧道显微镜（BSTM）技术，其独特的优势包括纳米级的非刚性能带结构变形、空态色散和磁场相关态。我们使用BSTM来阐明拓扑材料的体电导率和表面态鲁棒性之间的关系，并量化自旋电子学应用的基本指标。
2013-11-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Intrinsic topological spin probes for electrical imaging of nanoscale energy landscapes
Brown University（布朗大学）
该研究提出了一种内在磁学显微镜方法，利用拓扑自旋纹理作为移动探针，直接映射多层器件内部的能量景观，并实现了对钉扎结构的定量工程。
2026-03-01 cond-mat.mes-hall
Imaging stress and magnetism at high pressures using a nanoscale quantum sensor
压力改变物质的物理、化学和电子性质。金刚石压砧室（DAC）的发展使桌面实验能够研究从行星内部特性到量子力学相之间的转变的各种高压现象。在这项工作中，我们介绍和利用一种新的纳米级传感平台，它集成了氮空位（NV）的色心直接到底脚（尖）的金刚石砧。我们通过对应力场和磁性进行衍射极限成像（~600 nm），最高压力为~30 GPa，温度范围为25-340 K，展示了该平台的多功能性。对于前者，我们以$<0.01$ GPa的精度量化了所有六个（法向和剪切）应力分量，为表征压力下固体和流体的强度和有效粘度提供了独特的新功能。对于后者，我们展示了矢量磁场成像与偶极精度$<10^{-11}$动车组，使我们能够测量的压力驱动的$α\leftrightarrowε$相变在铁以及复杂的压力-温度相图的钆。除了直流矢量磁强计，我们强调了一个互补的NV感测模态使用T1噪声光谱，至关重要的是，这表明我们的能力，即使在静态磁签名的情况下表征相变。通过将原子级传感器直接集成到DAC中，我们的平台可以在高压下对弹性，电磁现象进行原位成像。
2018-12-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale X-ray imaging with high spectral sensitivity using fluorescence intensity correlations
本文提出光谱非相干衍射成像（SIDI）新方法，利用荧光强度关联实现纳米结构暗场成像，可空间分辨光电子谱位移，在XFEL上为异质纳米结构表征提供独特优势。
2023-12-22 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nanoscale imaging of ferromagnetic vortex dynamics with scanning NV magnetometry
Northeastern University（东北大学）；Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
该研究利用扫描NV磁力计实现了约50 nm空间分辨率的铁磁涡旋静态场与微波场成像，揭示了无序对微波倏逝衰减的影响，其技术分辨率优于衍射极限技术，可用于磁子器件研发。
2026-08-12 cond-mat.mes-hall
Scanning nano-spin ensemble microscope for nanoscale magnetic and thermal imaging
基于固态自旋的量子传感器在从基础物理和化学到生物医学成像的广泛领域提供了巨大的机会。然而，将它们集成到扫描探针显微镜中以实现实用的纳米级量子成像是一项极具挑战性的任务。最近，在金刚石中使用单自旋结合原子力显微镜技术已经允许朝着这个目标取得重大进展，但这种方法的推广到目前为止一直受到阻碍，由长的采集时间或同时地形信息的缺乏。在这里，我们报告的扫描量子探针显微镜，解决了这两个问题，通过采用纳米自旋合奏托管在纳米金刚石。这种方法在采集时间上提供了高达一个数量级的增益，同时保留了量子传感器和地形图像的亚100 nm空间分辨率。我们展示了这种显微镜的两个应用。我们首先通过自旋共振光谱和自旋弛豫法，在环境条件下的磁赤铁矿颗粒的纳米级集群的图像。我们的图像显示快速磁场波动，除了一个静态的组成部分，表明存在超顺磁性和铁磁性粒子。接下来，我们展示了一种新的成像方式，其中纳米自旋系综被用作温度计。我们使用这种技术来映射激光照射单个金纳米粒子在流体环境中产生的光致加热。这项工作为量子探针显微镜的新应用铺平了道路，例如操作微电子设备的热/磁成像和细胞膜中离子通道的磁检测。
2015-12-31 cond-mat.mes-hall
Nanoscale Electric Field Imaging with an Ambient Scanning Quantum Sensor Microscope
金刚石中的氮空位（NV）中心是一种很有前途的量子传感器，具有非常广泛的传感能力。虽然扫描NV磁力测定法是公认的，但NV电测法迄今为止仅限于大块金刚石。在这里，我们展示了成像外部交流（AC）和直流（DC）电场与一个单一的NV在钻石扫描尖端的顶点在环境条件下。由于表面上的电荷噪声，在低频下观察到强电场屏蔽效应。我们定量测量其频率依赖性，并克服这种筛选通过机械振荡的尖端成像直流领域。我们的扫描NV电测法实现了26 mV um^（-1）Hz^（-1/2）的AC E场灵敏度、2 V um^（-2）Hz^（-1/2）的DC E场梯度灵敏度以及由NV样品距离限制的低于100 nm的分辨率。我们的工作是建立一个基于扫描探针的多模态量子传感平台的重要一步。
2022-05-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Quantitative nanoscale MRI with a wide field of view
磁自旋共振是一种关键的非侵入性传感和成像技术，跨越生命，材料和基础科学，具有进一步的医疗和商业应用。利用顺磁色心的最新进展使磁共振能够在纳米尺度上进行，并且对单个分子的灵敏度是可见的。包围感测和宽场成像提高了灵敏度和采集速度，但是可能遭受由例如集成器件中的微结构产生的不均匀的自旋控制场以及有限的空间分辨率。在这里，我们展示了多重核磁共振成像使用金刚石氮空位中心在这种不利的条件。我们成像厚度低至$1.2\,\mathrm{nm}$的氟化钙薄膜，空间分辨率为$250\,\mathrm{nm}$。这对应于在系综中给定NV的感测半径内约140个核自旋的净矩。
2018-07-22 cond-mat.mes-hall
Batch-fabricated cantilever probes with electrical shielding for nanoscale dielectric and conductivity imaging
本文介绍了一种用于扫描微波阻抗显微镜的电屏蔽悬臂梁探针的设计和制作。定义电分辨率的尖端顶点的直径小于50 nm。带状线的宽度和绝缘层的厚度针对小串联电阻（< 5 W）和小背景电容（~ 1 pF）进行了优化，这两者对于各种样品的高灵敏度成像至关重要。同轴屏蔽确保只有探针尖端与样品相互作用。悬臂梁的结构被设计成对称的，以平衡不同层的应力和热膨胀，使得悬臂梁在可变温度下保持平直。这种屏蔽悬臂梁探针在晶圆级生产将促进纳米电介质和电导率成像的巨大应用。
2013-01-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Quantum magnetometry of transient signals with a time resolution of 1.1 nanoseconds
本文报道了基于氮-空位中心的量子磁力计实现对瞬态信号的快速检测，达到1.1纳秒时间分辨率，并展望了其在自旋电子学等领域的应用潜力。
2024-11-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
