Från upptäckten av mikroorganismer inom biologin till avbildning av atomer inom fysikområdet, har mikroskopisk avbildning förbättrat vår förståelse av världen och har varit ansvarig för många vetenskapliga framsteg. Nu, med tillkomsten av spintronik och magnetiska miniatyrenheter, finns det ett växande behov av avbildning i nanometerskala för att upptäcka materias kvantegenskaper, såsom elektronsnurr, magnetiska domänstruktur i ferromagneter och magnetiska virvlar i supraledare.

Vanligtvis görs detta genom att komplettera standardmikroskopitekniker, såsom scanning tunneling mikroskopi och atomic force microscopy (AFM), med magnetiska sensorer för att skapa "scanning magnetometry probes" som kan uppnå nanoskala avbildning och avkänning. Dessa sonder kräver dock ofta ultrahögt vakuum, extremt låga temperaturer och är begränsade i rumslig upplösning av sondens storlek.

I detta avseende har kvävevakanscentra (NV) i diamant (defekter i diamantstrukturen som bildas av kväveatomer intill "vakanser" skapade av saknade atomer) vunnit stort intresse. NV-paret, visar det sig, kan kombineras med AFM för att åstadkomma lokal magnetisk avbildning och kan fungera vid rumstemperatur och tryck. Tillverkning av dessa sonder kräver dock komplexa tekniker som inte tillåter mycket kontroll över sondens form och storlek.

I en ny studie ledd av docent Toshu An från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), och Yuta Kainuma, en Ph.D. student vid JAIST, i samarbete med forskare från Kyoto University, Japan, och National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan tog upp denna fråga och tillverkade NV-värdande diamantsonder med en ny teknik som kombinerar laserskärning och fokuserad jonstråle (FIB) bearbetning som möjliggjorde både en hög grad av bearbetningsfrihet och kontroll över sondformen. Denna artikel gjordes tillgänglig online den 28 december 2021 och publicerades i volym 130, nummer 24 av Journal of Applied Physics .

Till att börja med skapade teamet N-V-centra i bulkdiamant genom att implantera kvävejoner i det. Därefter polerade de den motsatta ytan och producerade flera stavformade bitar med laserskärning. De fäste en av diamantstavarna på spetsen av en AFM-sond och använde FIB-bearbetning för att förvandla den främre ytan på diamantstaven till den slutliga sondformen. "FIB använder galliumjoner för att forma sonden. Dessa joner kan dock skapa vakanser i diamantstrukturen och ändra laddningstillståndet för NV-defekten. För att undvika detta använde vi ett munkformat fräsmönster runt sondens mitt för att förhindra eventuella skador på NV-centret", utvecklar Dr. An. Den sista sonden var en mikropelare bestående av 103 NV-centra med en diameter på 1,3 µm och en längd på 6 µm.

Med hjälp av sonden avbildade teamet den periodiska magnetiska domänstrukturen på ett magnetband. "Vi avbildade de strömagnetiska fälten från den magnetiska domänstrukturen genom att kartlägga fotoluminescensintensiteten vid en fast mikrovågsfrekvens och resonansfrekvenserna i de optiskt detekterade magnetiska resonansspektra," förklarar Dr. An.

Teamet är optimistiskt att den nya tillverkningsmetoden kommer att bredda tillämpbarheten av kvantavbildningssonder. "Under de senaste åren har utvecklingen av nya enheter sökts för att lösa miljö- och energiproblem och förverkliga ett hållbart välstånd för det mänskliga samhället. Kvantmätnings- och avkänningsteknik förväntas helt reformera systemet som stöder den sociala infrastrukturen i framtiden. I I detta avseende kan vår tillverkningsteknik hjälpa till att öka ansträngningarna för att realisera kvantavbildning i nanoskala, säger Dr. An. + Utforska vidare

Kombinerad teknik med diamantsonder möjliggör nanoskala avbildning av magnetiska virvelstrukturer