低温NV色心磁强计来袭，2K-300K精准测量 ，打破低温纳米磁场测量瓶颈！
发布日期：2025-04-09
在材料科学和量子物理的交叉领域，金刚石中的氮空位（NV）色心因其特殊的量子特性，成为科研人员关注的焦点。为实现纳米尺度的磁场传感，研究人员将纳米金刚石中的NV色心被附着在原子力显微镜（AFM）针尖上，或使用承载单个NV色心的金刚石AFM尖端。如今，这类带有单一NV色心的钻石AFM针尖以及配套的显微镜设备已实现商业化，广泛应用于各类传感研究中。
由于NV色心在低温环境下对磁场的感知更为敏锐，研究该温度区间的磁场对于探索量子器件的新型材料、二维材料和磁性的基本原理尤为重要。基于此，德国attocube公司精心研发推出低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2200中的商用扫描氮空位磁强计填补了低温领域的部分技术空白。值得一提的是，该商用扫描氮空位磁力计第一套设备已经安装在欧洲的研究机构实验室运行。
该低温NV色心磁强计能够在 2K 至 300K 的温度范围内，以纳米分辨率测量样品的杂散磁场，且无需对样品进行额外处理，特别是无需在样品上制备微波线路。仪器配备成熟的软件界面和完全远程可控的显微镜平台，便于控制和同步所有包括光学、机械和电子设备，并实时分析获取数据信息。
设备简介：
设备架构如图1所示，测量所需的所有电子设备和光学器件均安装在两个 19 英寸的机架中，布局紧凑且便于操作和维护。attoDRY2200低温恒温器采用先进的闭路氦循环技术，无需补充氦气，保证基本温度低于1.8 K。由于配备特殊的气动阻尼系统，attoDRY2200成为专为低温扫描探针实验打造的超低振动测量平台。该阻尼系统能够有效地将脉冲管冷头内部以及其他设备和操作产生的机械振动与样品空间隔离开，确保样品空间不受干扰。超导矢量磁体具备多种配置模式，可在垂直方向上产生高达9T的强大磁场，满足不同研究对磁场强度的需求。
图1. 低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2200中商用扫描氮空位磁力计。（1）机柜内包含：计算机，微波发生器，数据采集，激光和光子计数器。（2）机柜内包含：扫描控制器，位移台，矢量磁体电源。（3）带有矢量磁体的闭式循环低温恒温器和显微镜插杆的示意图，其中包含样品、物镜和AFM探针。（4）用于宽视场成像和共聚焦激励和检测的光学模块；包括驱动和控制光学机械的电机。(5)低温恒温器支持单元。attoDRY2200可以选配低温拉曼显微镜，低温AFM，低温双轴旋转台等配置。
attoDRY2200低温恒温器的光学模块是其一大亮点，可提供共聚焦和广角成像功能。广角成像对于定位金刚石针尖和样品区域发挥着重要作用。该光学模块安装在轴承轨道系统上，在样品空间的位置重复性可达20 µm。这意味着在进行样品交换，或显微镜插杆插入、拿出低温恒温器时，用户无需重新校准光学器件，大大节省了实验时间，提高了实验效率。
样品和AFM针尖可通过低温位移台在3 mm范围内精密移动，也可借助压电扫描仪在室温下实现 30μm、在基础温度下实现 15μm 范围内的移动。实验使用了消色差、低温和高真空兼容的物镜来激发和检测NV色心荧光。在进行ODMR测量时需要微波激发，瑞士QZabre公司提供的探头在NV色心附近集成了微波线路，提高了激发效率，并且避免了通常所需的、可能对样品有害的尖端线路校准。图 2 展示了 AFM 针尖和微波线路。集成的微波线路在NV色心处产生的拉比频率远超过10 MHz。
图2：由QZabre公司制作的集成钻石针尖音叉和微波线的照片。
在进行磁测量扫描时，主要涉及AFM校准控制和NV色心表征两个关键步骤。在AFM校准阶段，需要测量仅由布朗力引起的音叉共振。这一步骤对于检测到的电压与金刚石针的位移和力之间的关系非常重要。因为过大的力会对脆弱样品造成伤害。完成校准音叉后，便可以进一步探测针尖-样品相互作用，从而调整AFM控制器的回路参数。
测试结果：
图3显示了该仪器在1.6 K和300 K下饱和度测量的光学性能。此外，在金刚石表面以下400 nm的体金刚石中，以单个NV色心的饱和曲线作为参考。图4 attocube公司对一个远离样品的位置进行了1秒积分时间的ODMR测量。因为微波激发加热效应，在测量过程中样品处温度温度升高到2.8 K。实验结果显示，直流磁场灵敏度为3.2(1)µT/√Hz。
图3：在300 K的体金刚石中单个NV中心的饱和度测量； 与300 K和1.6 K的QZabre针尖中NV中心的饱和度测量。在进行饱和度测量之前，通过实验确定了样品处的激光功率。
图4 在2.8 K时的磁场灵敏度测量。进行了2500次测量，每次测量持续时间为1s。样品在NV色心下方1 mm处，矢量磁铁提供偏置场。
德国attocube公司对Ir/Fe/Co/Pt多层样品进行了磁学测量。图5展示了2.9 K温度下样品产生的磁场分布。步长为20 nm的光学检测磁共振ODMR测量扫描需要8小时，无需手动校正。该设备的一个重要技术指标是横向空间分辨率，空间分辨率受到NV色心和样品之间的距离的影响。
图5：用光学检测磁共振ODMR测量Ir/Fe/Co/Pt多层样品的磁场。扫描过程中样品温度为2.9 K。针尖被设置为在样品上方50 nm的恒定高度。像素-像素之间距离为20 nm。图像没有进行后处理。
综上所述，该仪器的高灵敏度和低噪声性能，能够在不需要额外样品制备的情况下测量2K到300 K温度范围内的纳米尺度磁场分布。先进的光学、机械和电子组件的集成，以及用户友好的软件界面，有效确保精确、无损和高效的定量磁场测量。该仪器改变了量子传感和材料科学领域的新研究和应用范式，为强大的磁成像技术提供了切实的精度改进。
attocube低震动无液氦磁体与恒温器
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100/2200 已经在北京大学，半导体所，清华大学，南京大学，复旦大学等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的的低温强磁场拉曼显微镜，该系统集成成熟拉曼显微镜，配置attocube特有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台，可以实现对常见二维材料，量子点，纳米线等微纳尺度材料的低温拉曼，荧光光谱，光电流等光电磁学性质测量。2024年3月，德国attocube公司推出了用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。该系统已经在英国，德国，中国等国家进行安装与运行，助力全球用户进行NV色心成像研究。
图6：常见配置-低温强磁场拉曼显微镜。
attoDRY2200主要技术特点：
☛ 超低振动、基于脉冲管的闭环低温恒温器，专为扫描探针显微镜应用而设计
☛ 磁场范围：0~9T ( 可选9T-1T-1T矢量磁体)
☛ 宽温度范围：1.8 K~300 K
☛ 通过 eNSPIRE 电子设备进行自动化控制，实时绘图，多功能接口
☛ 可选显微镜：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接触式与非接触式）, CFM
☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm3
☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K
☛ 商业化探针
☛ 可集成升级 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能
图7：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100/2200 部分发表文献：
☛ Xing DING, et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing.Nature Photonics, 2025
☛ Yu YE, et al. Multi-parameter control of photodetection in van der Waals magnet CrSBr.Light: Science & Applications, 14: 67 (2025)
☛ Yihua WANG, et al.Direct observation of chiral edge current at zero magnetic field in a magnetic topological insulator.Nature Communications 16, : 963 (2025)
☛ Zhiliang YE, et al. Resolving polarization switching pathways of sliding ferroelectricity in trilayer 3R-MoS2. Nature Nanotechnology, 2025
☛ Xuefeng WANG, et al. Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure. Adv. Funct. Mater. 2025, 2422040
☛ Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560
☛ Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics 20, 783–787 (2024)
☛ Xiaodong XU, et al. Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid, Nature 635, 590–595 (2024)
☛ Feng JIN, et al.π Phase Interlayer Shift and Stacking Fault in the Kagome Superconductor CsV3Sb5. Phys. Rev. Lett. 132, 066501, 2024
☛ Yang XU, et al. Observation of Rydberg moiré excitons. Science 380, 1367–1372 (2023).
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：
