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磁性纳米

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-08  浏览次数:9
核心提示:随着对更小、更智能的电子产品的需求越来越大,对理解材料在更小尺度上的行为的需求也越来越大。美国能源部艾姆斯实验室的物理学

随着对更小、更智能的电子产品的需求越来越大,对理解材料在更小尺度上的行为的需求也越来越大。美国能源部艾姆斯实验室的物理学家们正在建造一种独特的光学磁强计来探测纳米和中尺度的磁性。

 

该装置被称为NV-magnetoscope,利用金刚石中氮空位(NV)中心的独特量子力学特性。低温nv -磁镜装置包括共焦显微镜(CFM)和原子力扫描显微镜(AFM)。NV-magnetoscope将能够在空间分辨率约10纳米的情况下,对少数几个电子的极弱磁场进行感应。


艾姆斯实验室的物理学家Ruslan Prozorov说:“我们想要以比以往任何时候都小的尺度,更精确地确定磁性的结构。”“我们的希望是了解纳米和中尺度磁性,学习如何控制它,并最终利用它创造新一代技术。”

通常,钻石是最珍贵的,当他们是完美的和大的。但是物理学家们从钻石的微小缺陷中看到了特殊的价值:一种被称为氮空位中心(NV)的缺陷,作为一种非常敏感的磁场传感器,精确地定位在NV中心的位置。当一个碳原子被一个氮原子取代时,就产生了NV中心。当氮原子附近缺少一个原子或“空位”时,就会形成稳定的“空位中心”。


什么使NV中心如此有用?物理学家对NV中心的工作原理了解很多。(事实上,艾姆斯实验室是NV研究中心的世界顶尖专家之一、理论物理学家维亚切斯拉夫·多布罗维茨基(Viatcheslav Dobrovitski)的家。)科学家们知道将电子从最低能量或基态推到激发态需要多少能量,更重要的是,当电子放松到低能量水平时,有多少能量会以红色光子的形式释放出来。NV中心定义明确的量子能级对磁场极其敏感。这种灵敏度使得NV-magnetoscope能够通过读取被激发的NV中心发射的光学荧光来检测非常小的磁场——比如纳米和中尺度磁性材料产生的磁场。

电子从低能量子态开始。绿色的激光“踢”他们到一个高激发态。量子力学的规则是这些电子必须回到较低的能级。如果一个电子从非磁性能级被激发,它总是发出红光。然而,如果它被低能磁场激发,它很可能在没有任何释放的情况下放松回来。


利用微波辐射在低能磁态和非磁态之间进行电子争夺,当能级间能量差与微波能匹配时,达到磁态的最大值。因此,通过扫描微波频率,红色荧光会产生双底光谱,对应两个磁能级,由磁场分裂(称为塞曼分裂)。雨滴之间的距离与NV中心位置的磁场成正比,”Prozorov说

当被激发的电子失去能量并回到低能量状态时,它们会发出红光。探测器计算红色光子的数量。


NV中心“感觉”样品的磁场


一个大约100纳米长、含有NV中心的钻石被附着在AFM的顶端。共聚焦显微镜聚焦于一个NV中心,只从一个很小的区域收集红色光子,同时屏蔽外部“噪音”。感兴趣的样本在NV中心下方扫描。NV中心“感受”了样品产生的磁场变化。


“当感兴趣的样品离NV中心足够近时,样品的磁场就会延伸到NV中心的位置,从而影响到中心的量子能级。”通过在近NV中心附近精确地二维移动样品,我们可以重建样品产生的磁场强度图。这反过来又给了样品本身的磁性,”Prozorov说。


 
 
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