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量子钻石原子力显微镜

QDAFM是一台基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器。通过对钻石中氮—空位(NV)中心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出,可实现磁学性质的定量无损成像,具有纳米级的高空间分辨以及单个自旋的超高探测灵敏度,是研究材料磁学性质的新利器,在磁畴成像、二维材料、拓扑磁结构、超导磁学、细胞成像等领域有着广泛应用。




应用领域
细胞原位成像
细胞原位实现纳米级分子成像是生物学研究的重要手段。在众多成像技术中,磁共振成像技术能够快速、无破坏地获取样品体内的自旋分布图像,已经广泛应用在多个科学领域中。特别是在临床医学中,因其对生物体几乎无损伤,对疾病的机理研究、诊断和治疗起着重要的作用。然而,传统的磁共振成像技术使用磁感应线圈作为传感器,空间分辨率极限在微米以上,无法进行细胞内分子尺度的成像。利用QDAFM的高空间分辨率特性,研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白,分辨率达到了10纳米。
参考文献:
Wang, P. et al. Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell. Science advances 5, 8038 (2019).
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细胞原位铁蛋白分子的纳米磁成像

   
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纳米磁成像实验原理图

拓扑磁结构表征
磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构。磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性,为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台,在未来高密度、低能耗、非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用。但是室温下单个斯格明子的探测在实验上仍具有挑战性。QDAFM的高灵敏度和高分辨率特点,是解决这一难题的有力工具,通过杂散场测量可重构出斯格明子的磁结构。
参考文献:
Dovzhenko, Y. et al. Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction.
Nature Communications 9, 2712 (2018).

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