如果用一個原子來捕捉納米材料的高分辨率圖像聽起來像科幻小說。
但這正是加州大學巴巴拉分校(UCSB)量子傳感和成像研究組已經實現的技術。物理學家Ania jayich實驗室的成員歷時兩年開發出一種全新的傳感器技術,具有納米尺度的空間分辨率和精致的敏感性。他們的這一成果已刊登在《自然》科學雜志上。
“這是第一種該類工具?!盪CSB的科學和工程講席教授,校材料研究實驗室副主任jayich說。“它的工作溫度從室溫到低溫,低溫下會發生很多有趣的物理現象。例如,當熱能足夠低時,電子相互作用的結果便可以觀察到,這導致新的物理相。現在我們可以用前所未有的空間分辨率來探測這些?!?/p>
在顯微鏡下,獨特的單自旋量子傳感器類似于牙刷。每個“毛”包含一個單一的、堅實的納米金剛石晶體,其頂端具有一種特殊的缺陷,氮空位(NV)中心。在鉆石的碳晶格中,有2個相鄰的原子缺失,其中一個空位被氮原子填充,能夠感應特定的材料特性,特別是磁性的傳感。這些傳感器在UCSB的潔凈室完成生產加工。
研究團隊選擇了一個相對較好的超導材料進行研究,該材料含有稱為渦流——磁通的局部區域的磁性機構。研究人員能夠使用他們的儀器,對單個渦流進行成像。
“我們的工具是一個量子傳感器,因為它依賴于神奇的量子力學,”jayich解釋?!拔覀儼袾V缺陷處于量子疊加態,它可以是一個狀態或另一個——我們不知道,然后我們讓系統在場效應下發展并測量。這種疊加的不確定性實現了測量?!?/p>
這樣的量子行為通常與低溫環境有關。然而,本研究組的專業量子儀器可在室溫及6開爾文(約零下450°華氏度)工作,這使得它非常靈活、獨特,能夠用于研究各種相的物質以及相關的相變。
“很多其他顯微鏡工具沒有這么大范圍的工作溫度,”jayich解釋?!拔覀兊墓ぞ叩牧硪粋€亮點是它有出色的空間分辨率,因為該傳感器包括一個單一的原子。另外,它的尺寸使得它具有非侵入性,這意味著它能最小限度的影響材料系統的基本物理性質?!?/p>
研究團隊目前正在對“斯格明子”—磁旋渦狀結構的準粒子—進行成像,這對未來的數據存儲和自旋電子技術具有巨大的吸引力。他們的目標是利用儀器的納米級空間分辨率,確定引起“斯格明子”的競爭相互作用的相對強度?!霸又g有很多不同的相互作用,你需要了解所有這些相互作用,之后才可以預測材料的行為?!眏ayich說。
“如果你能想象到材料磁疇的大小,以及它們是如何在小尺度上進化的,然后你能了解這些相互作用的數值和強度,”他補充說?!霸谖磥恚@個工具將有助于理解材料相互作用的性質和強度,然后帶來有趣的新物質狀態和物質相,這是不僅有利于基礎物理,對技術也很有幫助?!?/p>