能給磁場拍超清寫真的“探針”｜科技前線

想象一下，在接近絕對零度（-273.15℃）的環(huán)境下，能高清“看見”材料內(nèi)部微小的磁場變化，甚至能分辨相距僅80納米（一根頭發(fā)絲直徑的千分之一）的超導(dǎo)細(xì)線。這并不是科幻，是中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的最新突破。

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研發(fā)出基于氮化鈮（NbN）的超導(dǎo)納米橋結(jié)磁成像探針，在低溫環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)空間分辨率優(yōu)于80納米的磁顯微成像，為探索量子材料的微觀奧秘打開了新窗口。

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挑戰(zhàn)“看見”

從硬盤存儲到量子計算，磁場無處不在，但要在納米尺度，精確“看見”微弱的磁場卻極其困難。傳統(tǒng)掃描超導(dǎo)量子干涉儀如同高靈敏度的“磁強(qiáng)計”，能探測極其微弱的磁場，卻受限于自身結(jié)構(gòu)尺寸（通常微米級），空間分辨率難以突破。

研究團(tuán)隊另辟蹊徑：放棄“雙結(jié)環(huán)路”結(jié)構(gòu)，改用“三維納米橋”結(jié)構(gòu)。設(shè)計的探頭核心是一個僅20納米厚的NbN超導(dǎo)納米橋，像一座架在超導(dǎo)“河岸”上的微觀橋梁。

當(dāng)施加磁場時，這座橋的“臨界電流”（保持超導(dǎo)態(tài)的最大電流）對周圍磁場變化呈現(xiàn)出超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的量子衍射現(xiàn)象——隨著微小磁場變化，橋梁就會“坍塌”變?yōu)檎B(tài)，電流通過時產(chǎn)生電壓信號。通過掃描探針并記錄電壓變化，可以幫科學(xué)家繪制出高精度磁場分布圖。

▲NbN納米橋結(jié)探針的SEM圖和電學(xué)性能表征圖，該結(jié)的磁場響應(yīng)曲線顯示出夫瑯禾費(fèi)衍射圖案。

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“高清”的關(guān)鍵

探針的“火眼金睛”離不開氮化鈮（NbN）。 NbN的超導(dǎo)臨界磁場高達(dá)1特斯拉以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料。這意味著，探針器件需要在強(qiáng)磁場下仍能穩(wěn)定工作，適應(yīng)更多極端實(shí)驗(yàn)條件。

同時，三維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)靈敏度。納米橋采用獨(dú)特設(shè)計的“三維”結(jié)構(gòu)（橋?qū)颖。瑑蓚?cè)“河岸”厚），使其磁場響應(yīng)呈現(xiàn)出超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的量子衍射現(xiàn)象，磁場噪聲低至100nT/√Hz。

采用新技術(shù)和材料后，研究團(tuán)隊在2K低溫下，成功“拍攝”到鈮薄膜中的單個阿布里科索夫渦旋（超導(dǎo)態(tài)中的磁通量子）表面的磁場分布。

此后，研究團(tuán)隊用其對準(zhǔn)一種超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）樣品，這些超導(dǎo)納米線寬200納米，間距僅80納米。在NbN超導(dǎo)納米橋結(jié)磁探針下，可清晰捕捉到每根超導(dǎo)納米線的抗磁響應(yīng)信號，80納米的間隙清晰可見。

▲（a）超導(dǎo)磁通量子渦旋成像；（b）超導(dǎo)納米線條的抗磁信號成像。

新型探針能夠幫助科學(xué)家看清80納米的磁場細(xì)節(jié)，離解鎖微觀量子世界的密碼又近了一步。同時，探針制造工藝兼容半導(dǎo)體產(chǎn)線，具備規(guī)模化潛力。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06397

來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

責(zé)任編輯：閆文藝