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
特別聲明:以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布,本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.