低温强磁场光探测磁共振成像系统attoCSFM

在低温和纳米尺度下，对材料的磁学性质进行成像是超导、磁学和材料科学领域的研究者非常关心的课题，常用的分析方法包括了低温磁力显微镜（MFM）和低温扫描霍尔显微镜（SHPM），以及新的光探测磁共振成像技术（Optically Detected Magnetic Resonance, OMDR）。

在这些应用中，attoMFM具有空间分辨率高，但无法进行定量测量，而attoSHPM虽然能定量测量磁场大小，但空间分辨率却比较差。如何将二者的优点结合起来，成为科学家努力的一个目标 。在这一问题上，德国attocube公司率先实现突破，成功的将低温共聚焦显微镜（attoCFM）和低温原子力显微镜（音叉式attoAFM）结合，推出了光探测磁共振成像系统（attoCSFM），同时达到nm空间分辨率和3nT小探测磁场（100s积分时间），实现了对磁性材料高灵敏度、高空间分辨率的同步表征。

光探测磁共振成像系统attoCSFM是基于光学检测的电子自旋共振（ESR）技术，在音叉式AFM针上嵌入一个有氮空位（NV色心）的金刚石纳米晶粒，利用共聚焦显微镜检测NV色心自旋依赖的荧光强度。 音叉式AFM针通常以非接触模式工作，并且保持音叉式AFM针和样品之间的距离恒定。NV色心在样品产生的磁场下会发生能塞曼分裂，此时，如果用微波照射NV色心，一旦微波的频率和NV色心的ESR频率一致，attoCFM会观察到NV色心的荧光强度有很大下降。通过监测NV色心荧光强度，并利用锁相技术控制微波频率，使得其随针移动时始终处于ESR状态，记录下针位置与相应的ESR频率，再利用ESR频率和磁场的函数关系推倒出得到磁场的位置像。

attoCSFM系统的稳定性好，室温下一个小时的漂移小于10nm。由于其磁传感器带一个NV色心的纳米金刚石晶粒体积小，和同样具有很高灵敏度的超导量子干涉仪器件以及扫描霍尔显微镜相比，它成像的空间分辨率在纳米尺度。传统的磁力显微镜(MFM)成像空间分辨率也可以到纳米尺度，但是attoMFM的磁性针和样品相互作用的方式决定了它在成像时对样品本身的磁性有扰动，并不是完全非侵入式的，而且只能给出定性的图像。attoCSFM工作温度1.5K-300K，磁场强度0-15T，CFM低温物镜（NA=0.82，WD=4mm），光谱范围400-1600nm，扫描范围30X30um(4K)。

从工业应用来说，attoCSFM是研究下一代高密度磁存储器佳选择，也是发展和研究自旋电子学、量子技术新应用的新手段，它的出现解决了纳米尺度磁成像这一基本问题，在材料科学、超导科学、生物科学研究方面有着广泛应用。

attoCSFM系统简介