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℃）的環境下，能高清“看見”材料內部微小的磁場變化，甚至能分辨相距僅80納米（一根頭發絲直徑的千分之一）的超導細線。這并不是科幻，是中國科學家實現的最新突破。

近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研發出基于氮化鈮（NbN）的超導納米橋結磁成像探針，在低溫環境中可實現空間分辨率優于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。

01

挑戰“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。傳統掃描超導量子干涉儀如同高靈敏度的“磁強計”，能探測極其微弱的磁場，卻受限于自身結構尺寸（通常微米級），空間分辨率難以突破。

研究團隊另辟蹊徑：放棄“雙結環路”結構，改用“三維納米橋”結構。設計的探頭核心是一個僅20納米厚的NbN超導納米橋，像一座架在超導“河岸”上的微觀橋梁。

當施加磁場時，這座橋的“臨界電流”（保持超導態的最大電流）對周圍磁場變化呈現出超導約瑟夫森結的量子衍射現象——隨著微小磁場變化，橋梁就會“坍塌”變為正常態，電流通過時產生電壓信號。通過掃描探針并記錄電壓變化，可以幫科學家繪制出高精度磁場分布圖。

▲NbN納米橋結探針的SEM圖和電學性能表征圖，該結的磁場響應曲線顯示出夫瑯禾費衍射圖案。

02

“高清”的關鍵

探針的“火眼金睛”離不開氮化鈮（NbN）。 NbN的超導臨界磁場高達1特斯拉以上，遠超傳統材料。這意味著，探針器件需要在強磁場下仍能穩定工作，適應更多極端實驗條件。

同時，三維結構增強靈敏度。納米橋采用獨特設計的“三維”結構（橋層薄，兩側“河岸”厚），使其磁場響應呈現出超導約瑟夫森結的量子衍射現象，磁場噪聲低至100nT/√Hz。

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

此后，研究團隊用其對準一種超導納米線單光子探測器（SNSPD）樣品，這些超導納米線寬200納米，間距僅80納米。在NbN超導納米橋結磁探針下，可清晰捕捉到每根超導納米線的抗磁響應信號，80納米的間隙清晰可見。

▲（a）超導磁通量子渦旋成像；（b）超導納米線條的抗磁信號成像。

新型探針能夠幫助科學家看清80納米的磁場細節，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體產線，具備規模化潛力。

論文鏈接：

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

來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所

責任編輯：閆文藝