Forskare vid det schweiziska nanovetenskapsinstitutet och Institutionen för fysik vid universitetet i Basel har utvecklat en ny metod som har gjort det möjligt för dem att avbilda magnetiska fält på nanometerskalan vid temperaturer nära absolut noll för första gången. De använde spinn i speciella diamanter som kvantsensorer i en ny sorts mikroskop för att generera bilder av magnetiska fält i supraledare med oöverträffad precision. På så sätt kunde forskarna utföra mätningar som möjliggör nya insikter i fasta tillståndets fysik, som de rapporterar in Naturens nanoteknik .
Forskare i gruppen ledd av Georg-H. Endress Professor Patrick Maletinsky har under flera år bedrivit forskning om så kallade kvävevacancycenter (NV-center) i diamanter för att kunna använda dem som högprecisionssensorer. NV-centra är naturliga defekter i diamantkristallgittret. Elektronerna som finns i NV:erna kan exciteras och manipuleras med ljus, och reagerar känsligt på elektriska och magnetiska fält de utsätts för. Det är dessa elektroners spinn som förändras beroende på miljön och som kan registreras med olika mätmetoder.
Maletinsky och hans team har lyckats placera enstaka NV-snurr vid spetsarna av atomkraftmikroskop för att utföra nanoskala magnetfältsavbildning. Än så länge, sådana analyser har alltid utförts vid rumstemperatur. Dock, många användningsområden kräver drift vid temperaturer nära absolut noll. supraledande material, till exempel, utvecklar endast sina speciella egenskaper vid mycket låga temperaturer runt -200°C. De leder då elektriska strömmar utan förlust och kan utveckla exotiska magnetiska egenskaper med bildandet av så kallade virvlar.
Vid temperaturer nära absolut noll för första gången
I deras tidning, forskarna använde framgångsrikt sitt nya mikroskop under kryogena förhållanden vid temperaturer på cirka 4 Kelvin (~ -269 °C) för första gången. De kunde avbilda magnetiska ströfält av virvlar i en högtemperatursupraledare med en hittills oöverträffad precision.
Den resulterande rumsliga upplösningen på 10 nanometer är en till två magnituder bättre än den som erhålls med alternativa metoder. Detta möjliggör för första gången en entydig och kvantitativ analys av viktiga materialparametrar, såsom de magnetiska penetrationsdjupen för den supraledande sonden - en av de grundläggande egenskaperna hos en supraledare.
"Våra resultat är inte bara relevanta för kvantsensorteknologi och supraledning, säger Patrick Maletinsky, kommenterar tidningen, "på lång sikt kommer de också att ha ett inflytande på fasta tillståndets fysik och, med ytterligare förbättringar i känslighet, de kan till och med möjliggöra tillämpningar inom biologi."
