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 magnetic domains in polycrystalline Mn3Sn films imaged by a scanning single-spin magnetometer
该研究利用基于氮空位中心的单自旋扫描显微镜直接成像多晶Mn₃Sn薄膜磁畴，揭示其非均匀磁开关行为，为理解非共线反铁磁体磁有序及研究凝聚态体系自旋特性提供支持。
2023-05-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Scanning Quantum Cryogenic Atom Microscope
局部磁场的显微成像提供了一个了解复杂的和技术相关的凝聚态材料的组织原理的窗口。然而，各种各样的有趣的强相关和拓扑非平凡的材料表现出知之甚少的现象以外的检测能力的国家的最先进的高灵敏度，高分辨率的扫描探针磁强计。我们介绍了一种量子噪声限制扫描探针磁强计，可以从室温到低温工作，具有前所未有的直流场灵敏度和微米级分辨率。扫描量子低温原子显微镜（SQCRAMscope）采用磁悬浮原子玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），从而提供对传导和黑体辐射加热的免疫力。它的场灵敏度为1.4 nT/分辨率限制点（$\sim$ 2 $μ$ m），或占空比为6 nT/ $\sqrt{\text{Hz}}$/点。与逐点传感器相比，BEC的长长度提供了自然的平行测量，允许在与逐点扫描仪顺序测量这些点相同的时间内，以600 pT $/\sqrt{\text{Hz}}$的有效场灵敏度测量近100个点。此外，它具有300 pT的本底噪声，并提供了近两个数量级的磁通量灵敏度的改善（下降到$10^{-6}$ $Φ_0/\sqrt{\text{Hz}}$）比以前的原子探针磁强计能够扫描附近的样品。这些能力，第一次，仔细基准成像磁场所产生的微加工线图案，在一个系统中，样品可以扫描，低温冷却，并很容易交换。SQCRAMscope将提供非常规超导体和拓扑非平凡材料在室温至4 K温度下的电荷输运图像。
2017-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.quant-gas
Nanoscale imaging of current density with a single-spin magnetometer
纳米结构和薄膜中的电荷传输是科学和技术中许多现象和过程的基础，从介观物理学中的量子效应和电子相关性，到基于电荷或自旋的集成电子电路，再到能源研究中的光活性层。由于其纳米尺寸和电流的巡回性质，在这种结构中直接可视化电荷流是具有挑战性的。在这项工作中，我们展示了非侵入性磁成像的电流密度在二维导体网络，包括金属纳米线和碳纳米管。我们的传感器是电子自旋的金刚石氮空位中心连接到扫描尖端。使用差分测量技术，我们检测直流电流下降到几微安以上的基线电流密度2 e4 A/cm 2。重建图像的空间分辨率通常为50 nm，尽力而为值为22 nm。电流密度成像为研究二维材料和器件中的电子输运和电导变化提供了一条新的途径，在凝聚态物理中有许多令人兴奋的应用。
2016-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Atomic-Scale Magnetometry of Dynamic Magnetization
成像磁力计的空间分辨率得益于扫描探针技术。样品通过其体积外部的磁场扰动扫描探针的要求限制了对具有预先存在的磁化的样品的磁力测定。我们提出了一个磁力计，其中的扰动是反向的：探头的磁场产生的样品，这对探头的反应，并改变其能量。对于金刚石中的NV $^-$自旋中心，这种微扰改变了自旋基态的精细结构分裂。然后，使用相干检测方案的灵敏测量技术允许检测顺磁性和反磁性材料的磁响应。该技术可以以比$0.1$磁致伸缩$~$更好的精度测量磁死层的厚度。
2017-02-13 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Quantitative nanoscale vortex-imaging using a cryogenic quantum magnetometer
对超导体及其涡旋的微观研究在我们理解超导性的机制中起着关键作用。穿透深度或磁杂散场的局部测量使得能够获得超导体的基本方面，例如超流密度的纳米级变化或其序参量的对称性。然而，实验工具，提供定量的，纳米级的磁力测量和操作在大范围的温度和磁场相关，以解决许多悬而未决的问题，在超导性，仍然是失踪。在这里，我们展示了定量的，纳米级的磁成像的珍珠涡的铜酸盐超导体YBCO，使用扫描量子传感器的形式在一个单一的氮空位（NV）的电子自旋在金刚石。我们实现的传感器到样品的距离约为10 nm，使我们能够在我们的涡旋杂散场图像中观察到与流行的近似近似值的显著偏差，同时我们发现与Pearl的分析模型具有很好的定量一致性。我们的实验可以非侵入性且明确地确定系统在伦敦当地的渗透深度，并且很容易扩展到更高的温度和磁场。这些结果表明，潜在的定量量子传感器在基准微观模型的复杂的电子系统，并打开了大门，进一步探索强关联电子物理使用扫描NV磁力。
2015-11-09 cond-mat.mes-hall
Scanning nitrogen-vacancy magnetometry down to 350mK
我们报告的实施扫描氮空位（NV）磁强计在干稀释冰箱。使用脉冲光检测磁共振结合有效的微波传输通过共面波导，我们达到了350 mK的基础温度，由实验热负荷和热化的探头的限制。我们展示了扫描NV磁力成像超导涡旋在一个50纳米薄的铝微结构。我们测量的灵敏度约为3 μT/平方根Hz。我们的工作证明了在亚开尔文温度下扫描NV中心进行非侵入性磁场成像的可行性。
2022-05-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
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
Electric coupling in scanning SQUID measurements
扫描SQUID是一种局部磁力计，它可以对由于直流磁场（$Φ$）而通过其拾取回路的通量进行成像。扫描SQUID还可以使用标准锁定技术测量样品对施加电流（$dΦ/dI$）或电压（$dΦ/dV$）的磁响应。在这篇手稿中，我们证明了扫描SQUID和背门调谐，磁性样品之间的电耦合可以导致一个门电压依赖的伪影时，成像$dΦ/dI$或$dΦ/dV$。电耦合伪影导致$dΦ/dV$和$dΦ/dI$图像，其模拟来自样品的静态磁场的空间变化（例如铁磁畴）。在背栅$EuS/Bi_2Se_3$双层膜中，我们发现电耦合效应是重要的，并且是Y. H. Wang，et al.（DOI：10.1126/science.aaa0508）.先前的扫描SQUID电流成像实验不受此伪影的影响，因为它们要么在非磁性样品上，要么磁性的空间分布与在$dΦ/dI$中观察到的特征不匹配。总之，磁性背门控样本的$dΦ/dI$或$dΦ/dV$成像仅应谨慎应用和解读。
2015-12-18 cond-mat.mes-hall
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
Coulomb-blockade and Pauli-blockade magnetometry
扫描探针磁强计是一种有价值的实验工具，以研究在微米和纳米级的磁现象。我们从理论上分析了通过量子点中的电流测量磁场的可能性。我们描述了两个设备的散粒噪声限制的磁场灵敏度：一个单点的库仑阻塞制度，和一个双点的泡利阻塞制度。使用碳纳米管量子点构建这样的磁力计将受益于大的、强各向异性的和可控的g张量、核自旋的低丰度以及允许纳米级空间分辨率的小检测体积;我们估计，使用这种材料可以实现低于$1 \, μ\text{T}/\sqrt{\text{Hz}}$的灵敏度。由于量子点已经被证明是有用的扫描探针静电计，我们的建议突出了他们的潜力，作为混合传感器具有在现场切换能力之间的电和磁传感。
2017-01-31 cond-mat.mes-hall
Scanning localized magnetic fields in a microfluidic device with a single nitrogen vacancy center
金刚石中的氮空位（NV）色心已经成为具有室温自旋性质的高度通用的光学发射体。这些特性使NV中心成为磁力测量的理想选择，磁力测量在化学和生物传感应用中起着重要作用。NV磁力计与微流体系统的集成可以使在流体环境中以高空间分辨率研究隔离的化学和生物样品成为可能。在这里，我们展示了一种方法来执行本地化的磁力与纳米空间精度使用一个单一的NV中心的微流体装置。我们操纵一个磁性粒子在液体环境中使用的平面微流体流动控制和垂直磁致动的组合，以实现三维操纵。含有单个NV中心的金刚石纳米颗粒沉积在微流体通道中并充当局部磁场探针。我们通过改变磁性颗粒相对于金刚石的位置并进行光学分辨电子自旋共振（ESR）测量，绘制出磁性颗粒的磁场分布。我们以48 nm的精度控制磁性粒子的位置，并获得17.5微特斯拉/赫兹^[1/2]的磁场灵敏度。这些结果开辟了在集成微流控平台中以高灵敏度研究生物和化学系统的局部磁性的可能性。
2014-08-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
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
Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene
预测电荷中性石墨烯中的电子-空穴等离子体将实现量子临界系统，其输运具有普适的流体动力学描述，即使在室温下。这种量子临界“狄拉克流体”的剪切粘度接近最小值，粒子间散射速率在普朗克时间$\hbar/(k_B T)$达到饱和。虽然在有限载流子密度下的电输运测量与石墨烯中的流体动力学电子流一致，但粘性行为的“吸烟枪”仍然难以捉摸。在这项工作中，我们直接图像粘性狄拉克流体流动在石墨烯在室温下通过测量相关的杂散磁场。利用金刚石中的氮空位（NV）中心实现的量子自旋磁强计进行纳米尺度的磁成像。扫描单自旋和宽场磁力仪揭示了一个抛物线Poiffille配置文件的电子流在石墨烯通道附近的电荷中性点，建立狄拉克流体的粘性传输。该测量与欧姆导体中成像的常规均匀流动轮廓形成对比。通过结合成像传输测量，我们得到的粘度和散射率，并观察到这些数量是可比的普遍预期值在量子临界。这一发现在室温下在中性石墨烯中建立了一种近乎理想的电子流体。我们的结果为研究强关联电子在高$T_c$超导体中的量子临界流体中的流体动力学输运铺平了道路。这项工作还突出了量子自旋磁力计探测纳米尺度相关电子现象的能力。
2020-08-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Current-induced nucleation and dynamics of skyrmions in a Co-based Heusler alloy
我们证明了室温稳定的偶极磁性skyrmions的直径范围内的$100$ nm的一个单一的赫斯勒合金层的Co $_2$ FeAl（CFA）在中等磁场。利用扫描氮空位磁强计在光致发光猝灭模式下研究了电流感生的微丝Skyrmion动力学。我们首先证明skyrmion成核的自旋轨道扭矩，并表明其效率可以显着提高使用倾斜的磁场，效果是不是特定的Heusler合金，并可能有利于未来的skyrmion为基础的设备。然后，我们表明，电流诱导的skyrmion运动仍然受到强钉扎效应的限制，即使CFA是一种磁性材料，具有低磁阻尼参数。
2018-12-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
All-optical scanning vector magnetometry based on fine and hyperfine interactions in spin-$\frac{3}{2}$ centers in silicon carbide
提出利用4H-SiC中S=3/2自旋色心的LAC谱随磁场取向变化，实现无需微波、可基于单个中心的全光扫描矢量磁力测量。
2024-04-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Multi-Angle Reconstruction of Domain Morphology with All-Optical Diamond Magnetometry
基于氮空位中心的光学检测磁共振的扫描金刚石磁力计在磁性材料产生的杂散场足够低（< 10 mT）时提供非常高的灵敏度和非侵入性成像能力。在这种低场状态之外，光信号猝灭并且定量测量是具有挑战性的。虽然场依赖性NV光致发光仍然可以提供关于磁性形态的定性信息，但是这种操作制度仍然未被探索，特别是对于大于$\sim$ 3 mA的表面磁化。在这里，我们介绍了一个多角度的重建技术（MARe），捕捉在所有的磁场制度导致NV光致发光淬灭的完整的纳米级域形态。为了证明这一点，我们使用[Ir/Co/Pt] $_{14}$多层膜的表面磁化强度比以前的报告大一个数量级。我们的方法带来了非侵入性的纳米级磁场成像能力的研究更广泛的磁性材料和现象。
2021-01-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Direct imaging of magnetotransport at graphene-metal interfaces with a single-spin quantum sensor
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；National Institute for Materials Science（国立材料研究所）
本研究利用扫描单自旋量子磁力计在室温下实现石墨烯-金属混合器件磁输运的纳米级成像，观测到界面电流洛伦兹偏转，揭示输运特性的多重调控机制并实现接触电阻空间变化定量成像，为复杂电子输运研究提供新手段。
2025-11-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
The magnetoelectric effect due to a semispherical capacitor surrounded by a spherical topologically insulating shell
本文研究了由两个半球形的理想导电板组成的电容器所产生的磁电效应，该电容器由两个具有电势差的半球形的理想导电板组成，并被一个拓扑绝缘材料的球壳所包围。修正的麦克斯韦方程组求解的耦合的电和磁标量位使用球坐标和近似的有效磁电耦合的精细结构常数的顺序。重点放在计算的磁场为几个相关的配置，旨在提高测量这个领域的可能性。我们获得的幅度属于基于金刚石中的氮空位中心的磁力计的灵敏度范围内，以及使用扫描SQUID磁力测量的设备。
2020-07-19 cond-mat.mes-hall hep-ph
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
