在材料科學(xué)和量子物理的交叉領(lǐng)域，金剛石中的氮空位（NV）色心因其特殊的量子特性，成為科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)納米尺度的磁場(chǎng)傳感，研究人員將納米金剛石中的NV色心被附著在原子力顯微鏡（AFM）針尖上，或使用承載單個(gè)NV色心的金剛石AFM尖端。如今，這類帶有單一NV色心的鉆石AFM針尖以及配套的顯微鏡設(shè)備已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，廣泛應(yīng)用于各類傳感研究中。

由于NV色心在低溫環(huán)境下對(duì)磁場(chǎng)的感知更為敏銳，研究該溫度區(qū)間的磁場(chǎng)對(duì)于探索量子器件的新型材料、二維材料和磁性的基本原理尤為重要?；诖?，德國(guó)attocube公司精心研發(fā)推出低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器-attoDRY2200中的商用掃描氮空位磁強(qiáng)計(jì)補(bǔ)足了低溫領(lǐng)域的部分技術(shù)空白。值得一提的是，該商用掃描氮空位磁力計(jì)第一套設(shè)備已經(jīng)安裝在歐洲的研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行。

該低溫NV色心磁強(qiáng)計(jì)能夠在 2K 至 300K 的溫度范圍內(nèi)，以納米分辨率測(cè)量樣品的雜散磁場(chǎng)，且無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行額外處理，特別是無(wú)需在樣品上制備微波線路。儀器配備成熟的軟件界面和完全遠(yuǎn)程可控的顯微鏡平臺(tái)，便于控制和同步所有包括光學(xué)、機(jī)械和電子設(shè)備，并實(shí)時(shí)分析獲取數(shù)據(jù)信息。

設(shè)備簡(jiǎn)介：

設(shè)備架構(gòu)如圖1所示，測(cè)量所需的所有電子設(shè)備和光學(xué)器件均安裝在兩個(gè) 19 英寸的機(jī)架中，布局緊湊且便于操作和維護(hù)。attoDRY2200低溫恒溫器采用先進(jìn)的閉路氦循環(huán)技術(shù)，無(wú)需補(bǔ)充氦氣，保證基本溫度低于1.8 K。由于配備特殊的氣動(dòng)阻尼系統(tǒng)，attoDRY2200成為專為低溫掃描探針實(shí)驗(yàn)打造的超低振動(dòng)測(cè)量平臺(tái)。該阻尼系統(tǒng)能夠有效地將脈沖管冷頭內(nèi)部以及其他設(shè)備和操作產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)與樣品空間隔離開(kāi)，確保樣品空間不受干擾。超導(dǎo)矢量磁體具備多種配置模式，可在垂直方向上產(chǎn)生高達(dá)9T的強(qiáng)大磁場(chǎng)，滿足不同研究對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的需求。

圖1. 低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器-attoDRY2200中商用掃描氮空位磁力計(jì)。（1）機(jī)柜內(nèi)包含：計(jì)算機(jī)，微波發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集，激光和光子計(jì)數(shù)器。（2）機(jī)柜內(nèi)包含：掃描控制器，位移臺(tái)，矢量磁體電源。（3）帶有矢量磁體的閉式循環(huán)低溫恒溫器和顯微鏡插桿的示意圖，其中包含樣品、物鏡和AFM探針。（4）用于寬視場(chǎng)成像和共聚焦激勵(lì)和檢測(cè)的光學(xué)模塊；包括驅(qū)動(dòng)和控制光學(xué)機(jī)械的電機(jī)。(5)低溫恒溫器支持單元。attoDRY2200可以選配低溫拉曼顯微鏡，低溫AFM，低溫雙軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)等配置。

attoDRY2200低溫恒溫器的光學(xué)模塊是其一大亮點(diǎn)，可提供共聚焦和廣角成像功能。廣角成像對(duì)于定位金剛石針尖和樣品區(qū)域發(fā)揮著重要作用。該光學(xué)模塊安裝在軸承軌道系統(tǒng)上，在樣品空間的位置重復(fù)性可達(dá)20 µm。這意味著在進(jìn)行樣品交換，或顯微鏡插桿插入、拿出低溫恒溫器時(shí)，用戶無(wú)需重新校準(zhǔn)光學(xué)器件，大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

樣品和AFM針尖可通過(guò)低溫位移臺(tái)在3 mm范圍內(nèi)精密移動(dòng)，也可借助壓電掃描儀在室溫下實(shí)現(xiàn) 30μm、在基礎(chǔ)溫度下實(shí)現(xiàn) 15μm 范圍內(nèi)的移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)使用了消色差、低溫和高真空兼容的物鏡來(lái)激發(fā)和檢測(cè)NV色心熒光。在進(jìn)行ODMR測(cè)量時(shí)需要微波激發(fā)，瑞士QZabre公司提供的探頭在NV色心附近集成了微波線路，提高了激發(fā)效率，并且避免了通常所需的、可能對(duì)樣品有害的尖端線路校準(zhǔn)。圖 2 展示了 AFM 針尖和微波線路。集成的微波線路在NV色心處產(chǎn)生的拉比頻率遠(yuǎn)超過(guò)10 MHz。

圖2：由QZabre公司制作的集成鉆石針尖音叉和微波線的照片。

在進(jìn)行磁測(cè)量掃描時(shí)，主要涉及AFM校準(zhǔn)控制和NV色心表征兩個(gè)關(guān)鍵步驟。在AFM校準(zhǔn)階段，需要測(cè)量?jī)H由布朗力引起的音叉共振。這一步驟對(duì)于檢測(cè)到的電壓與金剛石針的位移和力之間的關(guān)系非常重要。因?yàn)檫^(guò)大的力會(huì)對(duì)脆弱樣品造成傷害。完成校準(zhǔn)音叉后，便可以進(jìn)一步探測(cè)針尖-樣品相互作用，從而調(diào)整AFM控制器的回路參數(shù)。

測(cè)試結(jié)果：

圖3顯示了該儀器在1.6 K和300 K下飽和度測(cè)量的光學(xué)性能。此外，在金剛石表面以下400 nm的體金剛石中，以單個(gè)NV色心的飽和曲線作為參考。圖4 attocube公司對(duì)一個(gè)遠(yuǎn)離樣品的位置進(jìn)行了1秒積分時(shí)間的ODMR測(cè)量。因?yàn)槲⒉ぐl(fā)加熱效應(yīng)，在測(cè)量過(guò)程中樣品處溫度溫度升高到2.8 K。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，直流磁場(chǎng)靈敏度為3.2(1)µT/√Hz。

圖3：在300 K的體金剛石中單個(gè)NV中心的飽和度測(cè)量； 與300 K和1.6 K的QZabre針尖中NV中心的飽和度測(cè)量。在進(jìn)行飽和度測(cè)量之前，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了樣品處的激光功率。

圖4 在2.8 K時(shí)的磁場(chǎng)靈敏度測(cè)量。進(jìn)行了2500次測(cè)量，每次測(cè)量持續(xù)時(shí)間為1s。樣品在NV色心下方1 mm處，矢量磁鐵提供偏置場(chǎng)。

德國(guó)attocube公司對(duì)Ir/Fe/Co/Pt多層樣品進(jìn)行了磁學(xué)測(cè)量。圖5展示了2.9 K溫度下樣品產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。步長(zhǎng)為20 nm的光學(xué)檢測(cè)磁共振ODMR測(cè)量掃描需要8小時(shí)，無(wú)需手動(dòng)校正。該設(shè)備的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是橫向空間分辨率，空間分辨率受到NV色心和樣品之間的距離的影響。

圖5：用光學(xué)檢測(cè)磁共振ODMR測(cè)量Ir/Fe/Co/Pt多層樣品的磁場(chǎng)。掃描過(guò)程中樣品溫度為2.9 K。針尖被設(shè)置為在樣品上方50 nm的恒定高度。像素-像素之間距離為20 nm。圖像沒(méi)有進(jìn)行后處理。

綜上所述，該儀器的高靈敏度和低噪聲性能，能夠在不需要額外樣品制備的情況下測(cè)量2K到300 K溫度范圍內(nèi)的納米尺度磁場(chǎng)分布。先進(jìn)的光學(xué)、機(jī)械和電子組件的集成，以及用戶友好的軟件界面，有效確保精確、無(wú)損和高效的定量磁場(chǎng)測(cè)量。該儀器改變了量子傳感和材料科學(xué)領(lǐng)域的新研究和應(yīng)用范式，為強(qiáng)大的磁成像技術(shù)提供了切實(shí)的精度改進(jìn)。

attocube低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器

低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100/2200 已經(jīng)在北京大學(xué)，半導(dǎo)體所，清華大學(xué)，南京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等單位順利運(yùn)行，持續(xù)助力各個(gè)課題組的科研工作。圖5為常見(jiàn)的的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)拉曼顯微鏡，該系統(tǒng)集成成熟拉曼顯微鏡，配置attocube特有的低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)常見(jiàn)二維材料，量子點(diǎn)，納米線等微納尺度材料的低溫拉曼，熒光光譜，光電流等光電磁學(xué)性質(zhì)測(cè)量。2024年3月，德國(guó)attocube公司推出了用于超靈敏SPM測(cè)量的全新超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200。該系統(tǒng)已經(jīng)在英國(guó)，德國(guó)，中國(guó)等國(guó)家進(jìn)行安裝與運(yùn)行，助力全球用戶進(jìn)行NV色心成像研究。

圖6：常見(jiàn)配置-低溫強(qiáng)磁場(chǎng)拉曼顯微鏡。

attoDRY2200主要技術(shù)特點(diǎn)：

? 超低振動(dòng)、基于脈沖管的閉環(huán)低溫恒溫器，專為掃描探針顯微鏡應(yīng)用而設(shè)計(jì)

? 磁場(chǎng)范圍：0~9T ( 可選9T-1T-1T矢量磁體)

? 寬溫度范圍：1.8 K~300 K

? 通過(guò) eNSPIRE 電子設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)時(shí)繪圖，多功能接口

? 可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K

? 商業(yè)化探針

? 可集成升級(jí) MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

圖7：用于超靈敏 SPM 測(cè)量的超低振動(dòng)低溫恒溫器attoDRY2200

低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100/2200 部分發(fā)表文獻(xiàn)：

? Xing DING, et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing.Nature Photonics, 2025

? Yu YE, et al. Multi-parameter control of photodetection in van der Waals magnet CrSBr.Light: Science & Applications, 14: 67 (2025)

? Yihua WANG, et al.Direct observation of chiral edge current at zero magnetic field in a magnetic topological insulator.Nature Communications 16, : 963 (2025)

? Zhiliang YE, et al. Resolving polarization switching pathways of sliding ferroelectricity in trilayer 3R-MoS₂. Nature Nanotechnology, 2025

? Xuefeng WANG, et al. Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure. Adv. Funct. Mater. 2025, 2422040

? Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560

? Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics 20,  783–787 (2024)

? Xiaodong XU, et al. Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid, Nature 635, 590–595 (2024)

? Feng JIN, et al.π Phase Interlayer Shift and Stacking Fault in the Kagome Superconductor CsV₃Sb₅. Phys. Rev. Lett. 132, 066501, 2024

? Yang XU,  et al. Observation of Rydberg moiré excitons. Science 380, 1367–1372 (2023).

低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器-attoDRY 部分國(guó)內(nèi)用戶單位：