為了滿足我國科研快速發(fā)展對(duì)高精尖科研儀器更廣泛的需求，拓寬科研設(shè)備的應(yīng)用與前景空間，“中國物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)”微信公眾號(hào)特開辟“科研儀器”專欄，希望搭建科研與產(chǎn)業(yè)之間的橋梁，打通合作共贏之路，攜手助力科研事業(yè)的發(fā)展。

歡迎涉及物理學(xué)科研、教學(xué)服務(wù)的企事業(yè)單位來信垂詢。聯(lián)系郵箱physics@iphy.ac.cn。

在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)納米尺度磁場(chǎng)測(cè)量的能力，是理解量子層面磁性現(xiàn)象、研發(fā)新型存儲(chǔ)設(shè)備或量子計(jì)算機(jī)用材料的關(guān)鍵所在。實(shí)踐證明，金剛石中的氮空位（NV）中心是一種可靠的量子傳感技術(shù)載體，可滿足此類應(yīng)用的需求。德國attocube公司研發(fā)了一款雜散磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x——低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)-attoNVM，該設(shè)備能在 2 K至 300 K的溫度區(qū)間內(nèi)，以納米級(jí)分辨率對(duì)樣品的雜散磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)，該儀器支持樣品直接進(jìn)樣測(cè)量，無需額外預(yù)處理，尤其省去了在樣品表面制備微波傳輸線的步驟。

該儀器配備專用軟件操作界面，可對(duì)集成的光學(xué)、機(jī)械及電子器件進(jìn)行統(tǒng)一控制與同步調(diào)試，并能對(duì)采集到的數(shù)據(jù)開展實(shí)時(shí)分析。本文闡述了基于搭載氮空位（NV）中心的原子力顯微鏡（AFM）探針，以及全遠(yuǎn)程控制顯微鏡平臺(tái)所實(shí)現(xiàn)的儀器核心功能與實(shí)測(cè)結(jié)果。目前，這款磁強(qiáng)計(jì)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，首臺(tái)樣機(jī)已在某科研機(jī)構(gòu)完成安裝部署。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備在閉循環(huán)低溫恒溫器環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)微特斯拉每根號(hào)赫茲（μT/√Hz）量級(jí)的探測(cè)靈敏度，兼具低噪聲原子力顯微鏡探針控制性能，以及光探測(cè)磁共振掃描功能。

為助力國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)攻克前沿難題、加速創(chuàng)新成果產(chǎn)出，QuantumDesign中國現(xiàn)開放低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)-attoNVM免費(fèi)測(cè)樣活動(dòng)！本次活動(dòng)面向從事量子材料、超導(dǎo)物理、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的科研團(tuán)隊(duì)，提供從樣品測(cè)試方案定制，到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集，再到結(jié)果深度解讀的全流程專業(yè)技術(shù)支持。無需承擔(dān)設(shè)備使用、技術(shù)調(diào)試等任何成本，即可借助前沿的低溫 NV 色心磁測(cè)量技術(shù)，快速驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)、攻克技術(shù)瓶頸，為高水平論文發(fā)表與科研項(xiàng)目推進(jìn)注入強(qiáng)勁動(dòng)力。本次活動(dòng)限50個(gè)名額，機(jī)會(huì)難得，誠邀各科研團(tuán)隊(duì)搶占先機(jī)，攜手解鎖納米磁測(cè)量的全新維度！

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精選案例：

《Physical Review Letters》：破解二維超導(dǎo)體渦旋動(dòng)力學(xué)難題

德國斯圖加特大學(xué) J?rg Wrachtrup 教授團(tuán)隊(duì)依托低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)-attoNVM在二維超導(dǎo)體 NbSe?磁通渦旋動(dòng)力學(xué)研究中取得突破性成果，相關(guān)論文發(fā)表于《Physical Review Letters》。此前，傳統(tǒng)掃描隧道顯微鏡（STM）因依賴潔凈導(dǎo)電表面，無法適配帶保護(hù)性六方氮化硼（h-BN）包覆層或殘留物的樣品；常規(guī)磁成像技術(shù)又難以兼顧納米空間分辨率與微秒時(shí)間分辨率，無法捕捉渦旋動(dòng)態(tài)演化。

attoNVM 憑借特有技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐一突破限制：在 1.8 K 低溫下，以<50nm 分辨率清晰分辨單個(gè)磁通渦旋，即使 NbSe?樣品表面有制備殘留物仍可精準(zhǔn)測(cè)量；依托9T-1T-1T矢量磁體完整覆蓋 “渦旋玻璃相 - 渦旋液體相 - 金屬態(tài)” 全相圖，證實(shí)薄層超導(dǎo)體中渦旋尺寸符合 Pearl 模型的膨脹特性；更通過超低振動(dòng)設(shè)計(jì)與高量子效率探測(cè)器，首次捕捉到冷卻速率對(duì)渦旋晶格的影響 —— 快速冷卻（1 分鐘內(nèi)降溫）形成弱磁對(duì)比的無序渦旋，慢速冷卻（數(shù)小時(shí)降溫）則構(gòu)建穩(wěn)定有序的渦旋晶格，為二維超導(dǎo)量子現(xiàn)象研究提供了直接可視化證據(jù)。

低溫NV色心磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量二維超導(dǎo)體中渦旋態(tài)。（a）用于探測(cè)納米尺度局部磁響應(yīng)的NV色心磁強(qiáng)計(jì)示意圖;（b）5.1nm厚的NbSe2薄片的相圖隨溫度和磁場(chǎng)的變化，確定了三個(gè)不同的相：渦旋玻璃、渦旋液體和金屬態(tài)。(c)渦旋玻璃相的磁場(chǎng)圖，顯示明顯的磁場(chǎng)對(duì)比度，并突出樣品邊界。(d)高分辨率掃描分辨出NbSe2薄片中的單個(gè)渦旋。

不同厚度的二維NbSe2中的渦旋排列。（a）氧化物襯底上厚度為5.1n m NbSe2樣品S1的磁場(chǎng)分布圖。渦旋結(jié)構(gòu)的形態(tài)呈現(xiàn)無序狀態(tài)，顯示出微弱的空間相關(guān)性以及寬泛、模糊的自相關(guān)峰。(c)厚度為11.59 nm NbSe2樣品S2的磁場(chǎng)分布圖，其渦旋結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著增強(qiáng)的六邊形有序排列。所有比例尺均為1 μm。

5.1 nm NbSe2樣品中與冷卻速率相關(guān)的渦旋排列。(a) NbSe2在快速冷卻（1分鐘內(nèi)從6.3 K降至2 K）后的雜散場(chǎng)分布圖，顯示弱磁對(duì)比。(c)慢速冷卻（數(shù)小時(shí)從6.3 K降至2 K）后的磁場(chǎng)分布圖，顯示渦旋對(duì)比度顯著增強(qiáng)。

《Nature Materials》：解鎖二維反鐵磁體調(diào)控新范式

美國波士頓學(xué)院 Brian B. Zhou 教授團(tuán)隊(duì)借助低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)-attoNVM在原子層厚 CrPS?反鐵磁疇與橫向交換偏置研究中取得里程碑式進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《Nature Materials》。此前，原子層厚材料中反鐵磁 - 鐵磁（AFM-FM）界面的微觀特性、疇壁運(yùn)動(dòng)機(jī)制長(zhǎng)期缺乏直接觀測(cè)手段，制約了高密度磁存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。

attoNVM 憑借高靈敏度與納米級(jí)成像能力，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)關(guān)鍵突破：在 2 K 低溫下精準(zhǔn)解析五層 CrPS?的傾斜磁矩（相對(duì)于 z 軸傾斜 16°），解決磁易軸爭(zhēng)議；首次可視化偶數(shù)層 CrPS?中的反相疇壁，清晰捕捉到疇壁與樣品缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證實(shí)雜散場(chǎng)源自表面磁化差異；更通過動(dòng)態(tài)調(diào)控實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)反鐵磁疇壁的可控成核與平移 —— 利用 0.6T 磁場(chǎng)脈沖可在六層 CrPS?中形核疇壁，通過逐步調(diào)節(jié)外場(chǎng)（0.35T→1.0T→-0.3T）實(shí)現(xiàn)疇?wèi)B(tài)逐級(jí)切換，最終將三個(gè)相鄰 AFM 結(jié)構(gòu)域調(diào)控為類 FM 區(qū)域，實(shí)現(xiàn)可調(diào)多級(jí)橫向交換偏置，為二維磁體在自旋電子器件中的應(yīng)用開辟新路徑。

原子級(jí)層厚CrPS?中不同層數(shù)的反鐵磁體（AFM）。（1a）NV色心掃描研究CrPS?材料。在磁成像過程中，外場(chǎng) Bext以54.7°角施加于

xz

偶數(shù)層CrPS?中的反相磁疇。（a）樣品1的雜散場(chǎng)BS圖像。頂部和底部五層區(qū)域分別采用相反的磁化狀態(tài)+5和?5。(b）六層反相疇壁的高分辨率BS測(cè)量。BS中的垂直脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)樣品中的物理缺陷（褶皺）。（c）代表性幾何結(jié)構(gòu)的偶層疇壁軌跡微磁模擬。（d）四層與六層區(qū)域過渡的BS圖像，顯示偶數(shù)層信號(hào)與厚度不成正比。（f）CrPS?樣品2的BS圖像。插圖：樣品光學(xué)照片。（g）雙層膜中疇壁的高分辨率BS圖像。（h）樣品2的磁疇模擬。

偶-奇界面橫向交換偏置。(a) 樣品2中窄與寬三層（3L）區(qū)域及樣品1中五層（5L）區(qū)域的磁滯回線。（b-e）磁滯回線不同外置磁場(chǎng)（標(biāo)記為a）窄與寬三層區(qū)域的雜散場(chǎng)BS圖像：-41mT(b)、-70mT(c)、-2mT(d)、12mT(e)。（f）所有偶數(shù)層均為|+?時(shí)，Bc1處狹窄三層區(qū)域磁化反轉(zhuǎn)的圖像。（g）當(dāng)鄰近偶數(shù)層處于疇?wèi)B(tài)時(shí)，Bc1反轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)（上）與模擬結(jié)果（下）如圖中所示。

疇壁的受控成核與平移。（a）CrPS?薄片3中雙層區(qū)域的磁滯回線。插圖：光學(xué)圖像。（b-d）樣品3在雙層磁滯回線不同 Bext 下的BS圖像，如圖a中標(biāo)記：-75mT(b)、-124mT(c)、17mT(d)。（e）CrPS?樣品4的BS圖像，所有區(qū)域均處于| + ?態(tài)。（f，g,h）將Bz外場(chǎng)升至(0.35，1，-0.3) T后恢復(fù)的圖像。(i)樣品1中偶數(shù)層疇壁的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

02

低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)-attoNVM

attoNVM是由德國attocube與瑞士QZabre強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合推出的商用干式低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)。通過將先進(jìn)的硬件與軟件無縫集成，用戶可在2 K~300 K寬溫區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效磁成像與磁學(xué)定量測(cè)量。該系統(tǒng)利用NV色心的本征量子特性進(jìn)行探測(cè)，傳感器無需額外校準(zhǔn)。

• 超高磁場(chǎng)靈敏度和光子計(jì)數(shù)率，實(shí)現(xiàn)完全定量測(cè)量

• 超低振動(dòng)和漂移，適合量子應(yīng)用研究，長(zhǎng)測(cè)量周期的極限穩(wěn)定性

• 快速安全地更換集成微波天線的NV色心探針，用戶友好的先進(jìn)掃描顯微鏡

• 成像模式：光檢測(cè)磁共振 (ODMR)，AFM，CFM，寬場(chǎng)，MOKE

• 長(zhǎng)期穩(wěn)定性：漂移<100 nm/24h， ΔT =2K

• 視野范圍 ：大約55 μm

• RMSz噪音水平（帶寬 = 200 Hz）:小于0.4 nm（室溫）； 小于2.5 nm（低溫）

• 定位步長(zhǎng)：0.05..3 μm @ 300 K, 10..500 nm @ 4 K

• 精細(xì)掃描范圍：30 x 30 x 4.3 μm3 @ 300 K, 18 x 18 x 2 μm3 @ 4 K

• 溫度范圍 ：1.8-300 K（淬滅模式，帶光學(xué)讀出的AFM掃描，微波關(guān)閉）； 4-300 K（ cw-ODMR模式）

• 磁場(chǎng) ：9-1-1 T 或1-1-1 T

• 樣品空間直徑：48 mm

低溫NV色心掃描成像磁強(qiáng)計(jì)-attoNVM

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部分發(fā)表文章

• Ruoming Peng, et al. Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope .Phys. Rev. Lett.135, 126001, 2025

• Brian B. Zhou, et al. Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS4，Nature Materials24, 1414–1423 (2025)

• Patrick Maletinsky, et al. Imaging nanomagnetism and magnetic phase transitions in atomically thin CrSBr.Nature Communications15: 6005 (2024)

• Rainer St?hr, et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr3 revealed by nanoscale imaging.Nature Communications12 : 1989 (2021)

• Patrick Maletinsky, et al. Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy.Science364, 973–976 (2019)

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部分用戶單位：

免費(fèi)測(cè)樣活動(dòng)限時(shí)開放

此次免費(fèi)測(cè)樣活動(dòng)，將為科研團(tuán)隊(duì)提供近距離體驗(yàn) attoNVM 核心性能的機(jī)會(huì)，無論是二維材料的磁疇表征、超導(dǎo)材料的磁通渦旋觀測(cè)，還是新型磁性材料的納米磁場(chǎng)分布分析，均可申請(qǐng)參與。活動(dòng)僅限50個(gè)名額，申請(qǐng)成功后，attocube 技術(shù)團(tuán)隊(duì)將提供全程專業(yè)支持，協(xié)助完成樣品測(cè)試與數(shù)據(jù)解讀。歡迎掃描下方二維碼，搶占科研助力先機(jī)！

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