在材料科學(xué)和量子物理的交叉領(lǐng)域，金剛石中的氮空位（NV）色心因其特殊的量子特性，成為科研人員關(guān)注的焦點。為實現(xiàn)納米尺度的磁場傳感，研究人員將納米金剛石中的NV色心被附著在原子力顯微鏡（AFM）針尖上，或使用承載單個NV色心的金剛石AFM尖端。如今，這類帶有單一NV色心的鉆石AFM針尖以及配套的顯微鏡設(shè)備已實現(xiàn)商業(yè)化，廣泛應(yīng)用于各類傳感研究中。

由于NV色心在低溫環(huán)境下對磁場的感知更為敏銳，研究該溫度區(qū)間的磁場對于探索量子器件的新型材料、二維材料和磁性的基本原理尤為重要?；诖?，德國attocube公司精心研發(fā)推出低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2200中的商用掃描氮空位磁強計補足了低溫領(lǐng)域的部分技術(shù)空白。值得一提的是，該商用掃描氮空位磁力計第一套設(shè)備已經(jīng)安裝在歐洲的研究機構(gòu)實驗室運行。

該低溫NV色心磁強計能夠在 2K 至 300K 的溫度范圍內(nèi)，以納米分辨率測量樣品的雜散磁場，且無需對樣品進行額外處理，特別是無需在樣品上制備微波線路。儀器配備成熟的軟件界面和完全遠程可控的顯微鏡平臺，便于控制和同步所有包括光學(xué)、機械和電子設(shè)備，并實時分析獲取數(shù)據(jù)信息。

設(shè)備簡介：

設(shè)備架構(gòu)如圖1所示，測量所需的所有電子設(shè)備和光學(xué)器件均安裝在兩個 19 英寸的機架中，布局緊湊且便于操作和維護。attoDRY2200低溫恒溫器采用先進的閉路氦循環(huán)技術(shù)，無需補充氦氣，保證基本溫度低于1.8 K。由于配備特殊的氣動阻尼系統(tǒng)，attoDRY2200成為專為低溫掃描探針實驗打造的超低振動測量平臺。該阻尼系統(tǒng)能夠有效地將脈沖管冷頭內(nèi)部以及其他設(shè)備和操作產(chǎn)生的機械振動與樣品空間隔離開，確保樣品空間不受干擾。超導(dǎo)矢量磁體具備多種配置模式，可在垂直方向上產(chǎn)生高達9T的強大磁場，滿足不同研究對磁場強度的需求。

圖1. 低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2200中商用掃描氮空位磁力計。（1）機柜內(nèi)包含：計算機，微波發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集，激光和光子計數(shù)器。（2）機柜內(nèi)包含：掃描控制器，位移臺，矢量磁體電源。（3）帶有矢量磁體的閉式循環(huán)低溫恒溫器和顯微鏡插桿的示意圖，其中包含樣品、物鏡和AFM探針。（4）用于寬視場成像和共聚焦激勵和檢測的光學(xué)模塊；包括驅(qū)動和控制光學(xué)機械的電機。(5)低溫恒溫器支持單元。attoDRY2200可以選配低溫拉曼顯微鏡，低溫AFM，低溫雙軸旋轉(zhuǎn)臺等配置。

attoDRY2200低溫恒溫器的光學(xué)模塊是其一大亮點，可提供共聚焦和廣角成像功能。廣角成像對于定位金剛石針尖和樣品區(qū)域發(fā)揮著重要作用。該光學(xué)模塊安裝在軸承軌道系統(tǒng)上，在樣品空間的位置重復(fù)性可達20 µm。這意味著在進行樣品交換，或顯微鏡插桿插入、拿出低溫恒溫器時，用戶無需重新校準光學(xué)器件，大大節(jié)省了實驗時間，提高了實驗效率。

樣品和AFM針尖可通過低溫位移臺在3 mm范圍內(nèi)精密移動，也可借助壓電掃描儀在室溫下實現(xiàn) 30μm、在基礎(chǔ)溫度下實現(xiàn) 15μm 范圍內(nèi)的移動。實驗使用了消色差、低溫和高真空兼容的物鏡來激發(fā)和檢測NV色心熒光。在進行ODMR測量時需要微波激發(fā)，瑞士QZabre公司提供的探頭在NV色心附近集成了微波線路，提高了激發(fā)效率，并且避免了通常所需的、可能對樣品有害的尖端線路校準。圖 2 展示了 AFM 針尖和微波線路。集成的微波線路在NV色心處產(chǎn)生的拉比頻率遠超過10 MHz。

圖2：由QZabre公司制作的集成鉆石針尖音叉和微波線的照片。

在進行磁測量掃描時，主要涉及AFM校準控制和NV色心表征兩個關(guān)鍵步驟。在AFM校準階段，需要測量僅由布朗力引起的音叉共振。這一步驟對于檢測到的電壓與金剛石針的位移和力之間的關(guān)系非常重要。因為過大的力會對脆弱樣品造成傷害。完成校準音叉后，便可以進一步探測針尖-樣品相互作用，從而調(diào)整AFM控制器的回路參數(shù)。

測試結(jié)果：

圖3顯示了該儀器在1.6 K和300 K下飽和度測量的光學(xué)性能。此外，在金剛石表面以下400 nm的體金剛石中，以單個NV色心的飽和曲線作為參考。圖4 attocube公司對一個遠離樣品的位置進行了1秒積分時間的ODMR測量。因為微波激發(fā)加熱效應(yīng)，在測量過程中樣品處溫度溫度升高到2.8 K。實驗結(jié)果顯示，直流磁場靈敏度為3.2(1)µT/√Hz。

圖3：在300 K的體金剛石中單個NV中心的飽和度測量； 與300 K和1.6 K的QZabre針尖中NV中心的飽和度測量。在進行飽和度測量之前，通過實驗確定了樣品處的激光功率。

圖4 在2.8 K時的磁場靈敏度測量。進行了2500次測量，每次測量持續(xù)時間為1s。樣品在NV色心下方1 mm處，矢量磁鐵提供偏置場。

德國attocube公司對Ir/Fe/Co/Pt多層樣品進行了磁學(xué)測量。圖5展示了2.9 K溫度下樣品產(chǎn)生的磁場分布。步長為20 nm的光學(xué)檢測磁共振ODMR測量掃描需要8小時，無需手動校正。該設(shè)備的一個重要技術(shù)指標是橫向空間分辨率，空間分辨率受到NV色心和樣品之間的距離的影響。

圖5：用光學(xué)檢測磁共振ODMR測量Ir/Fe/Co/Pt多層樣品的磁場。掃描過程中樣品溫度為2.9 K。針尖被設(shè)置為在樣品上方50 nm的恒定高度。像素-像素之間距離為20 nm。圖像沒有進行后處理。

綜上所述，該儀器的高靈敏度和低噪聲性能，能夠在不需要額外樣品制備的情況下測量2K到300 K溫度范圍內(nèi)的納米尺度磁場分布。先進的光學(xué)、機械和電子組件的集成，以及用戶友好的軟件界面，有效確保精確、無損和高效的定量磁場測量。該儀器改變了量子傳感和材料科學(xué)領(lǐng)域的新研究和應(yīng)用范式，為強大的磁成像技術(shù)提供了切實的精度改進。

attocube低震動無液氦磁體與恒溫器

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100/2200 已經(jīng)在北京大學(xué)，半導(dǎo)體所，清華大學(xué)，南京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等單位順利運行，持續(xù)助力各個課題組的科研工作。圖5為常見的的低溫強磁場拉曼顯微鏡，該系統(tǒng)集成成熟拉曼顯微鏡，配置attocube特有的低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺，可以實現(xiàn)對常見二維材料，量子點，納米線等微納尺度材料的低溫拉曼，熒光光譜，光電流等光電磁學(xué)性質(zhì)測量。2024年3月，德國attocube公司推出了用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。該系統(tǒng)已經(jīng)在英國，德國，中國等國家進行安裝與運行，助力全球用戶進行NV色心成像研究。

圖6：常見配置-低溫強磁場拉曼顯微鏡。

attoDRY2200主要技術(shù)特點：

? 超低振動、基于脈沖管的閉環(huán)低溫恒溫器，專為掃描探針顯微鏡應(yīng)用而設(shè)計

? 磁場范圍：0~9T ( 可選9T-1T-1T矢量磁體)

? 寬溫度范圍：1.8 K~300 K

? 通過 eNSPIRE 電子設(shè)備進行自動化控制，實時繪圖，多功能接口

? 可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K

? 商業(yè)化探針

? 可集成升級 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

圖7：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100/2200 部分發(fā)表文獻：

? 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).

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY 部分國內(nèi)用戶單位：