高压NV显微镜｜特殊环境下的量子精密磁测量

最近，国仪量子公司发布了一款新型的高压NV显微镜，这款设备结合了金刚石氮-空位色心（NV）量子传感技术与金刚石压砧（DAC）高压技术，属于精密测量领域的创新产品。该设备采用金刚石内部集成的NV色心作为量子传感器，并应用光探测磁共振（ODMR）技术，在超过30 GPa的超高压条件下，对微纳米级样品的磁场、压力和温度信号进行高灵敏度的定量分析。

关联电子体系的新奇量子态是现代凝聚态物理的核心议题。静水压作为一种清洁的热力学参数，能够在不引入杂质的情况下连续驱动量子相变。从铜基、镍基超导到高压氢化物室温超导的迹象，高压已成为探索物质新状态的关键方向。然而，当样品被封闭在金刚石对顶砧的高压室内时，传统的磁测量技术由于分辨率和灵敏度的限制，仅能提供整体的磁响应，无法识别局部磁结构的变化。

国仪量子的高压NV显微镜针对这一难题提供了一套完整的标准化解决方案。该设备融合了金刚石NV色心量子传感技术与金刚石压砧（DAC）高压技术，能够在低温、强磁场和高压等条件下，实现对局部磁场的直接成像。

国仪量子高压NV显微镜，为高压实验中的磁测量难题提供了创新的解决方案。该系统将金刚石NV色心量子传感技术与金刚石对顶砧（DAC）高压平台相结合，能够在低温、强磁场和高压等条件下，实现对局域磁场的直接成像。

在高压实验中，金刚石对顶砧技术是常用的方法。这种技术通过两片金刚石砧面的相对挤压，将微小的样品置于其间并施加连续的压力，能够达到数十GPa的高压状态。

这种配置非常适合探究材料在高压力环境下的特性，但同时也对磁性测量提出了挑战：样本体积微小，且被DAC装置所环绕，使得传统磁测量技术难以接触到样本区域。因此，科研人员通常只能收集到总体、均质的磁性信号，难以识别样本内部不同区域的局部变化，并且难以将这些信号与DAC装置的背景信号区分开来。

高压NV显微镜针对的，是在高压条件下进行现场弱磁场测量和局部磁场成像的需求。

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高压NV显微镜：在严苛条件下探测局部磁场

高压下的磁场，为什么难以“看见”？

NV色心是钻石晶体内部的一种瑕疵，它的量子状态对周围磁场变化极为敏感，因此可以作为纳米级别的量子探测装置。

在高压NV显微镜下，众多NV色心集中部署于金刚石压砧的表面区域。在实验过程中，利用光学激发和微波控制技术来检测NV自旋状态的变动；由样本产生的局部磁场会影响信号的读出。通过逐点扫描样本区域，可以绘制出磁场的分布图。

这表明，在DAC中微小的样本不再是一个难以接触的封闭空间。科研人员能够在高压力环境中直接获得样本周围的局部磁场分布，并进一步将其与温度、压力和磁场等实验参数相联系。

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针对高磁场成像需求，我们构建了一套能够在特殊条件下运作的系统。

NV高压显微镜整合了高压生成、低温磁场环境、NV磁成像和测量控制系统，为复杂的高压实验提供了完整的解决方案。

该系统的核心性能指标包括：

压力上限：不低于30 GPa

操作环境温度：2至300开尔文

磁场范围：从-9 T到+9 T，具备持续自动扫描功能

分辨率：不超过500纳米

磁场探测精度：不超过100 μT/√Hz

在高压实验领域，构建、校准和维持系统的稳定通常需要丰富的实践经验。综合解决方案通过整合高压系统、低温磁场环境以及量子传感测量技术，使用户能够将注意力更多地集中在样本和科研问题上。

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由整体信号分析，转向局部现场观测

NV显微技术在高压环境下对局部磁性进行研究具有广泛的应用，主要涉及以下领域：

超高压条件下的超导现象探索

在高压环境中，超导材料的样本可能会表现出空间上的不一致性。通过使用局部磁场成像技术，可以实时监测超导材料的抗磁性，从而直接获取关于超导区域分布和变化的信息。

磁性质材料及其相变探索

在高压条件下，NV显微技术能够以亚微米级别的空间分辨率，直观地捕捉样品在受压时的局部磁化强度和磁畴结构，进而辨别“均匀相变”和“空间相分离”这两种截然不同的演变机制。

探索拓扑和强关联量子材料的科学

在探索新型量子材料时，微观磁性与电子相互作用、应力状态及相变行为之间存在密切联系。高压NV显微镜作为一种现场磁学表征技术，能够与多种高压测试结果相互验证。

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实验示例：镍基超导材料的迈斯纳效应观测

• 在镍基超导现象中，施加高压是实现超导状态的关键因素。利用高压NV显微镜技术，我们能够对镍基超导材料在迈斯纳状态下进行磁成像检测，记录样品在变化的压力和温度下的局部磁场变化。
• 借助磁场分布图和测量曲线，科研人员可以清晰地观察到样品在特定实验条件下的磁屏蔽效应。这些现场数据为高压超导领域的研究提供了更精细的空间分辨率。
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• 探索特殊环境下微观磁学的新视角
• 在高压超导、磁相变、新型量子材料以及特殊条件下的物性研究等领域，越来越多的研究问题聚焦于材料微观层面的“变化发生在哪里”。

国仪量子的高压NV显微镜将量子传感技术应用于DAC高压实验中，提供了一种标准化的局域磁场观测工具。该工具使得在高压环境下难以获取的磁学数据变得易于测量和观察，同时为研究材料在特殊条件下的新特性开辟了新的实验方法。

如果您正在从事高压超导、磁性材料或量子材料等领域的研究，欢迎与国仪量子取得联系，获取关于高压NV显微镜的详细信息和应用方案。

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• 高压超导研究

高压下的超导样品可能存在空间不均匀性。利用局域磁成像，可原位观察超导抗磁性，为研究超导区域的分布及其演化提供直接依据。

• 磁性材料与磁相变研究

高压NV显微镜以亚微米空间分辨率，直接成像样品在加压过程中的局域磁化强度与磁畴分布，从而区分"均匀相变"与"空间相分离"两种本质不同的演化路径。

• 拓扑与强关联量子材料研究

对于新型量子材料，微观磁性常与电子关联、应力状态和相变行为紧密相关。高压NV显微镜提供了一种原位磁学表征手段，可与其他高压测试结果互相印证。

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实测案例：镍基超导体迈斯纳效应

在镍基超导中，高压条件是获得相关超导态的重要前提。高压NV显微镜已实现镍基超导体迈斯纳态的磁成像测量，捕捉到样品在不同压力和温度条件下的局域磁响应。

通过磁场分布图与测量曲线，研究人员能够观察样品在相应实验条件下的磁屏蔽特征。这类原位结果为高压超导研究提供了更具空间分辨能力的实验视角。

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打开特殊条件下的微观磁学视野

从高压超导到磁相变，从新型量子材料到特殊条件下的物性研究，越来越多的问题需要回答材料在微观尺度上“哪里发生了变化”。

国仪量子高压NV显微镜将量子传感引入DAC高压实验，为局域磁场的原位观测提供了标准化工具。它让高压下难以触及的磁学信息变得可测、可视，也为探索特殊条件下材料的新性质提供了新的实验路径。

如您正在开展高压超导、磁性材料或量子材料相关研究，欢迎联系国仪量子，了解高压NV显微镜的详细配置与应用方案。

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原创作者：国仪量子技术 （合肥） 股份有限公司