Van de ontdekking van micro-organismen op het gebied van biologie tot het in beeld brengen van atomen op het gebied van natuurkunde, microscopische beeldvorming heeft ons begrip van de wereld verbeterd en is verantwoordelijk geweest voor veel wetenschappelijke vooruitgang. Nu, met de komst van spintronica en miniatuur magnetische apparaten, is er een groeiende behoefte aan beeldvorming op nanometerschaal om kwantumeigenschappen van materie te detecteren, zoals elektronenspins, magnetische domeinstructuur in ferromagneten en magnetische wervels in supergeleiders.

Meestal wordt dit gedaan door standaard microscopietechnieken, zoals scanning tunneling microscopie en atomaire krachtmicroscopie (AFM), aan te vullen met magnetische sensoren om "scanning magnetometrie-sondes" te creëren die beeldvorming en detectie op nanoschaal kunnen bereiken. Deze sondes vereisen echter vaak ultrahoge vacuümomstandigheden, extreem lage temperaturen en zijn beperkt in ruimtelijke resolutie door de sondegrootte.

In dit opzicht hebben stikstof-leegstand (NV) centra in diamant (defecten in diamantstructuur gevormd door stikstofatomen naast "vacatures" gecreëerd door ontbrekende atomen) aanzienlijke belangstelling gekregen. Het NV-paar, zo blijkt, kan worden gecombineerd met AFM om lokale magnetische beeldvorming te bereiken en kan werken bij kamertemperatuur en druk. Het vervaardigen van deze sondes omvat echter complexe technieken die niet veel controle over de vorm en grootte van de sonde mogelijk maken.

In een nieuwe studie onder leiding van universitair hoofddocent Toshu An van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), en Yuta Kainuma, een Ph.D. student aan JAIST, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Kyoto, Japan, en het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan, heeft dit probleem aangepakt door NV-hosting diamantsondes te fabriceren met behulp van een nieuwe techniek die lasersnijden en gefocusseerde ionenstraal (FIB) combineert verwerking die zowel een hoge mate van verwerkingsvrijheid als controle over de vorm van de sonde mogelijk maakte. Dit artikel is op 28 december 2021 online beschikbaar gesteld en is gepubliceerd in Volume 130 Issue 24 van het Journal of Applied Physics .

Om te beginnen creëerde het team NV-centra in bulkdiamant door er stikstofionen in te implanteren. Vervolgens polijstten ze het tegenoverliggende oppervlak en produceerden ze meerdere staafvormige stukken met lasersnijden. Ze bevestigden een van de diamantstaven aan de punt van een AFM-sonde en gebruikten FIB-verwerking om het vooroppervlak van de diamantstaaf in de uiteindelijke vorm van de sonde te veranderen. "FIB gebruikt galliumionen om de sonde te vormen. Deze ionen kunnen echter vacatures in de diamantstructuur creëren die de ladingstoestand van het NV-defect veranderen. Om dit te voorkomen, gebruikten we een donutvormig freespatroon rond het midden van de sonde om te voorkomen dat eventuele schade aan het NV-centrum”, legt Dr. An uit. De uiteindelijke sonde was een micropilaar bestaande uit 103 NV-centra met een diameter van 1,3 µm en een lengte van 6 µm.

Met behulp van de sonde bracht het team de periodieke magnetische domeinstructuur in een magnetische band in beeld. "We hebben de verdwaalde magnetische velden van de magnetische domeinstructuur in beeld gebracht door de fotoluminescentie-intensiteit bij een vaste microgolffrequentie en de resonantiefrequenties in de optisch gedetecteerde magnetische resonantiespectra in kaart te brengen", legt Dr. An uit.

Het team is optimistisch dat de nieuwe fabricagemethode de toepasbaarheid van quantum imaging-sondes zal verbreden. "De afgelopen jaren is gezocht naar de ontwikkeling van nieuwe apparaten om milieu- en energieproblemen op te lossen en een duurzame welvaart van de menselijke samenleving te realiseren. Verwacht wordt dat kwantummeet- en detectietechnologie het systeem dat de sociale infrastructuur in de toekomst ondersteunt, volledig zal hervormen. in dit opzicht zou onze fabricagetechniek kunnen helpen bij het stimuleren van inspanningen bij het realiseren van kwantumbeeldvorming op nanoschaal", zegt Dr. An. + Verder verkennen

Gecombineerde techniek met behulp van diamantsondes maakt beeldvorming op nanoschaal van magnetische vortexstructuren mogelijk