Mod overlegen sansning og billeddannelse i nanoskala med optimerede diamantsonder

Fra opdagelsen af ​​mikroorganismer inden for biologi til billeddannelse af atomer inden for fysik har mikroskopisk billeddannelse forbedret vores forståelse af verden og har været ansvarlig for mange videnskabelige fremskridt. Nu, med fremkomsten af ​​spintronik og magnetiske miniatureanordninger, er der et voksende behov for billeddannelse på nanometerskalaer for at detektere stofs kvanteegenskaber, såsom elektronspin, magnetisk domænestruktur i ferromagneter og magnetiske hvirvler i superledere.

Dette gøres typisk ved at komplementere standardmikroskopiteknikker, såsom scanning tunneling mikroskopi og atomic force microscopy (AFM), med magnetiske sensorer for at skabe "scanning magnetometri prober", der kan opnå nanoskala billeddannelse og sensing. Disse prober kræver dog ofte ultrahøje vakuumforhold, ekstremt lave temperaturer og er begrænset i rumlig opløsning af sondestørrelsen.

I denne henseende har nitrogen-vacancy-centre (NV) i diamant (defekter i diamantstruktur dannet af nitrogenatomer, der støder op til "vacances" skabt af manglende atomer) vundet betydelig interesse. NV-parret, viser det sig, kan kombineres med AFM for at opnå lokal magnetisk billeddannelse og kan fungere ved stuetemperatur og -tryk. Fremstilling af disse prober involverer imidlertid komplekse teknikker, der ikke giver mulighed for megen kontrol over sondens form og størrelse.

I en ny undersøgelse ledet af lektor Toshu An fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), og Yuta Kainuma, en ph.d. studerende ved JAIST, i samarbejde med forskere fra Kyoto University, Japan, og National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan behandlede dette problem ved at fremstille NV-hosting diamantsonder ved hjælp af en ny teknik, der kombinerer laserskæring og fokuseret ionstråle (FIB) behandling, der muliggjorde både en høj grad af behandlingsfrihed og kontrol over sondens form. Dette papir blev gjort tilgængeligt online den 28. december 2021 og blev offentliggjort i bind 130, udgave 24 af Journal of Applied Physics .

Til at begynde med skabte holdet N-V-centre i bulk-diamant ved at implantere nitrogenioner i det. Dernæst polerede de den modsatte overflade og producerede flere stangformede stykker med laserskæring. De fastgjorde en af ​​diamantstængerne til spidsen af ​​en AFM-sonde og brugte FIB-behandling til at vende den forreste overflade af diamantstangen til den endelige sondeform. "FIB bruger galliumioner til at forme sonden. Disse ioner kan dog skabe ledige pladser i diamantstrukturen og ændre ladningstilstanden af ​​NV-defekten. For at undgå dette brugte vi et donutformet fræsemønster omkring midten af ​​sonden for at forhindre enhver skade på NV-centret," uddyber Dr. An. Den endelige sonde var en mikrosøjle bestående af 103 NV-centre med en diameter på 1,3 µm og en længde på 6 µm.

Ved hjælp af sonden afbildede holdet den periodiske magnetiske domænestruktur i et magnetbånd. "Vi afbildede de omstrejfende magnetiske felter fra den magnetiske domænestruktur ved at kortlægge fotoluminescensintensiteten ved en fast mikrobølgefrekvens og resonansfrekvenserne i de optisk detekterede magnetiske resonansspektre," forklarer Dr. An.

Holdet er optimistisk om, at den nye fremstillingsmetode vil udvide anvendeligheden af ​​kvantebilled-prober. "I de senere år er udviklingen af ​​nye enheder blevet søgt for at løse miljø- og energiproblemer og realisere en bæredygtig velstand i det menneskelige samfund. Kvantemålings- og sansningsteknologi forventes at fuldstændig reformere det system, der understøtter den sociale infrastruktur i fremtiden. I I den forbindelse kunne vores fremstillingsteknik hjælpe med at øge indsatsen for at realisere kvantebilleder i nanoskala," siger Dr. An. + Udforsk yderligere

Kombineret teknik ved hjælp af diamantprober muliggør nanoskala-billeddannelse af magnetiske hvirvelstrukturer