这个工具将有助于理解材料相互作用的性质和强度

如果用一个原子来捕捉纳米材料的高分辨率图像听起来像科幻小说。
但这正是加州大学巴巴拉分校量子传感和成像研究组已经实现的技术。物理学家Aniajayich实验室的成员历时两年开发出一种全新的传感器技术,具有纳米尺度的空间分辨率和精致的敏感性。他们的这一成果已刊登在《自然》科学杂志上。
“这是第一种该类工具。”UCSB的科学和工程讲席教授,校材料研究实验室副主任jayich说。“它的工作温度从室温到低温,低温下会发生很多有趣的物理现象。例如,当热能足够低时,电子相互作用的结果便可以观察到,这导致新的物理相。现在我们可以用前所未有的空间分辨率来探测这些。”
在显微镜下,独特的单自旋量子传感器类似于牙刷。每个“毛”包含一个单一的、坚实的纳米金刚石晶体,其顶端具有一种特殊的缺陷,氮空位中心。在钻石的碳晶格中,有2个相邻的原子缺失,其中一个空位被氮原子填充,能够感应特定的材料特性,特别是磁性的传感。这些传感器在UCSB的洁净室完成生产加工。
研究团队选择了一个相对较好的超导材料进行研究,该材料含有称为涡流——磁通的局部区域的磁性机构。研究人员能够使用他们的仪器,对单个涡流进行成像。
“我们的工具是一个量子传感器,因为它依赖于神奇的量子力学,”jayich解释。“我们把NV缺陷处于量子叠加态,它可以是一个状态或另一个——我们不知道,然后我们让系统在场效应下发展并测量。这种叠加的不确定性实现了测量。”
这样的量子行为通常与低温环境有关。然而,本研究组的专业量子仪器可在室温及6开尔文(约零下450°华氏度)工作,这使得它非常灵活、独特,能够用于研究各种相的物质以及相关的相变。
“很多其他显微镜工具没有这么大范围的工作温度,”jayich解释。“我们的工具的另一个亮点是它有出色的空间分辨率,因为该传感器包括一个单一的原子。另外,它的尺寸使得它具有非侵入性,这意味着它能最小限度的影响材料系统的基本物理性质。”
研究团队目前正在对“斯格明子”—磁旋涡状结构的准粒子—进行成像,这对未来的数据存储和自旋电子技术具有巨大的吸引力。他们的目标是利用仪器的纳米级空间分辨率,确定引起“斯格明子”的竞争相互作用的相对强度。“原子之间有很多不同的相互作用,你需要了解所有这些相互作用,之后才可以预测材料的行为。”jayich说。
“如果你能想象到材料磁畴的大小,以及它们是如何在小尺度上进化的,然后你能了解这些相互作用的数值和强度,”他补充说。“在未来,这个工具将有助于理解材料相互作用的性质和强度,然后带来有趣的新物质状态和物质相,这是不仅有利于基础物理,对技术也很有帮助。”

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