SNVM：看见超导量子涡旋

超导涡旋（Vortex），既是研究超导微观配对与拓扑物态的核心探针，也是实现高载流、低损耗超导量子器件的关键基础。一块超导体能承载多大的电流，有时取决于几个微小的涡旋能否被“钉住”。外磁场进入第二类超导体后，会形成一个个被环形超电流包围的磁通涡旋。它们一旦移动，就可能带来电压和能量损耗。要弄清超导体为何在某处失去无损载流能力，我们得先看清：涡旋藏在哪里，又是怎样动起来的。

怎样看见超导涡旋 

涡旋中心附近的超导受到抑制，周围有环绕的超电流。对于普通的单量子涡旋，其特征磁通尺度由磁通量子给出：

Φ₀ = h/(2e) ≈ 2.07×10^-15 Wb

这里h是普朗克常数，e是元电荷，Wb是磁通的单位。这个式子说明，涡旋对应一个非常小、却有明确物理尺度的磁通单位。下表是常见超导涡旋成像方法的优势与局限：

扫描NV探针显微镜（SNVM）的优势是同时兼顾高空间分辨率与灵敏度，且成像具有定量无损特点。

NV是金刚石中的氮—空位缺陷。把它放在探针针尖，用光和微波读取自旋共振频率，就能测出沿NV轴方向的磁场；逐点扫描后得到涡旋磁图。在轴向磁场主导、应变等影响较小时：

f_± ≈ D ± γB_NV，γ ≈ 28 GHz/T

D为零场分裂，B_NV为磁场沿NV轴的投影。轴向场每变化1 μT，共振频率约移动28 kHz。结合超导模型分析磁图，可提取涡旋位置、屏蔽电流和穿透深度。

原理图 左：长方形表示金刚石探针，底端附近的倾斜箭头表示NV自旋方向。绿光从上方入射，红色荧光由上方收集，微波用于操控自旋。中：扫描微波频率时，荧光在共振处出现下降；磁场沿NV轴的分量改变共振频率。右：逐点重复测量，得到磁场投影图，这是利用国仪量子SNVM对YBCO中磁涡旋进行的定量成像。

NV色心对涡旋几乎无磁扰动，但实际分辨率仍受探针高度和噪声限制，光与微波也可能加热样品。

 研究进展与合作成果

已有低温扫描NV研究能够观察超导涡旋，但超高真空兼容以及样品、探针的原位更换在此类系统中仍较少具备，限制了对洁净表面和空气敏感量子材料的测量。复旦大学高春雷团队与国仪量子的合作研究报道了一套超高真空兼容、无液氦消耗的扫描NV磁测平台，将低温扫描、真空内三轴矢量超导磁体和原位转运结合起来[1]。

论文在样品2.3 K、探针4 K条件下，以固定频率NV荧光图分辨块体NbSe₂中四个独立的涡旋；随后对选定区域扫描，得到其中一个涡旋沿NV轴方向的定量磁场图。这验证了样品与探针同时处于低温时的稳定磁成像能力。

图1 合作平台在块体NbSe2上的涡旋成像：左图可见四个涡旋，右图为选定单涡旋的定量磁场分布（据文献[1]图11）。

平台本底真空达到2×10^-10 Torr，样品温度可低至约2 K；样品与探针可在不破坏超高真空的情况下原位更换，并可分别调节温度。与需要先在空气中装样、再降温的常规低温扫描方案相比，超高真空与原位换样把“洁净表面”真正带到低温磁成像环节：新鲜制备或MBE生长的样品无需封装即可直接进入测量位置，能够尽量避免氧化、吸附和转移残留对表面磁性的改写。这对MnBi₂Te₄、MnSb₂Te₄等空气敏感磁性拓扑材料，以及未封装的二维磁体和超导异质结构尤其重要。

更进一步，样品在2–300 K范围内连续变温、样品与探针独立控温、三轴矢量磁场和脉冲NV测量可以在同一洁净表面上连续追踪温度与磁场驱动的相变，而不必每更换一个样品就破坏真空并重新建立表面条件。未来可用它研究涡旋成核与钉扎如何受到原子级缺陷、界面和表面吸附的影响，并测量相变附近的自旋涨落、磁噪声谱和临界动力学。若进一步引入NV电场、应变与温度传感，这套平台还可拓展到空气敏感材料的表面电荷不均匀、纳米尺度热输运和局域应变成像。

二维超导体中的涡旋更容易受到热涨落、无序和有限尺寸的影响。斯图加特大学Jörg Wrachtrup团队等利用单NV扫描量子显微镜，在少层2H-NbSe₂中直接观察到畸变的涡旋玻璃，并比较了不同厚度样品的涡旋排列。5.1 nm薄样品中的涡旋相关性较弱，约11.6 nm的较厚样品则更接近六角Abrikosov晶格[2]。

研究者把5.1 nm NbSe₂从6.3 K冷却到2 K，并把冷却时间从1 min改变到10 h。快速冷却后，涡旋磁场对比和空间相关性较弱；慢速冷却则得到更强的磁响应和更清晰的局域有序。结果表明，二维涡旋玻璃的最终构型不仅由外场决定，还记录了热涨落与无序钉扎竞争形成的冷却历史。

图2 二维NbSe₂中的涡旋静态结构与动态磁噪声。左：5.1 nm样品快速冷却（上）与慢速冷却（下）后的磁场图及自相关；慢速冷却后涡旋对比和局域有序性增强。右：Hahn回波测量显示，NV探针靠近样品时相干时间缩短，并在低温下出现更强的样品诱导退相干（据文献[2]图3、图4）。

除静态成像外，团队还用NV自旋的Hahn回波测量涡旋玻璃中的动态磁噪声。探针接触样品时的相干时间明显短于离开样品1 μm以上时；样品引起的退相干在降温时反而增强。论文将这一反常温度依赖归因于少层超导体中涡旋运动与局域磁场分布的共同作用，并用有限温度下的涡旋Langevin模型再现实验趋势。

超导器件的电阻相同，内部电流就一定相同吗？哈佛大学Shaowen Chen与Amir Yacoby团队研究NbN/Au/NbN Josephson结时，用扫描NV测量磁场并重构电流分布，发现零电阻区域内也能存在不同的Josephson涡旋态，且可以通过电流偏置切换[3]。

论文在4 K下研究涡旋态切换，通过不同直流偏置选择0-JV和1-JV态，即结中无Josephson涡旋和有一个Josephson涡旋的状态。研究者采用脉冲式交流NV磁测，让Hahn回波微波序列与结的电流调制同步。激光先初始化NV自旋，再由微波脉冲让自旋积累两种电流条件下的磁场差，最后通过荧光读出。图b、d、e在直流偏置上叠加约0.8 μA的小交流电流，测量电流微扰引起的差分磁响应。图f则直接比较0-JV与1-JV两个状态，突出增加一个涡旋对应的磁场和环流。Josephson涡旋位于弱连接中，与普通薄膜涡旋不同。

图3 用电流调控并辨认Josephson涡旋态（4 K）。a：电输运测得的微分电阻，虚线框对应b的范围。b：固定位置的NV测得的小交流电流差分磁响应；圆圈为输运确定的临界电流。临界电流以内仍出现响应边界，提示零电阻区内存在不同状态。c：时变Ginzburg–Landau模拟的两态自由能差。d、e：不同偏置下的0-JV与1-JV空间图。f：直接对两种状态作差，显出单个涡旋的磁场与环流轮廓。

2016年，巴塞尔大学Patrick Maletinsky团队在YBCO薄膜中测量Pearl涡旋的杂散场。探针靠近样品扫描时，近场轮廓已明显偏离常用的简单磁单极近似，而与Pearl模型相符。由此，研究者不仅找到了涡旋，还能提取局域London穿透深度[4]。

图4 不同探针高度下的单涡旋磁场图。探针离样品越远，测得的近场细节通常越少。

这里最值得认识的材料参数是穿透深度λ。可以把它理解为超导体屏蔽磁场时的一个特征长度。在简单London描述下，λ越大，通常对应越小的超流刚度。对厚度d远小于λ的薄膜，常用的Pearl长度为：

Λ = 2λ²/d，d ≪ λ

薄膜越薄，磁场就可能在更大的横向范围内展开。因此，涡旋磁斑的宽度不能直接当作涡旋核心大小；核心尺度通常用相干长度ξ描述，探针高度又会进一步“抹宽”图像。

NV

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简短展望 

SNVM对超导Vortex的研究方兴未艾。未来随着技术的成熟与普及，有望在以下研究实现突破：

局域超导参数。对同一涡旋改变温度和探针高度，测量磁场轮廓，有望区分穿透深度变化与几何效应，进一步研究缺陷附近的屏蔽能力。

钉扎与运动。结合可控电流，记录涡旋何时移动、是否回跳。校准局部电流和温度后，可由位移与跃迁阈值约束钉扎强度；再固定探针读出局部磁场，研究较快的涨落。

涡旋边界与迈斯纳效应相变处磁噪声研究。利用国仪量子SNVM仪器脉冲谱学测量与成像功能，可以研究材料相变处局域自旋涨落。

参考文献

[1] Jiao S et al. Development of an ultrahigh-vacuum-compatible cryogen-free scanning nitrogen-vacancy magnetometer. Review of Scientific Instruments 97, 103701(2026).

[2] Jayaram S, Lenger M, Zhao D, et al. Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope. Physical Review Letters 135, 126001 (2025). 

[3] Chen S et al. Current induced hidden states in Josephson junctions. Nature Communications 15, 8059 (2024). 

[4] Thiel L et al. Quantitative nanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer. Nature Nanotechnology 11, 677–681 (2016).  

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原创作者：国仪量子技术 （合肥） 股份有限公司