能给磁场拍超清写真的“探针”｜科技前线

想象一下，在接近绝对零度（-273.15℃）的环境下，能高清“看见”材料内部微小的磁场变化，甚至能分辨相距仅80纳米（一根头发丝直径的千分之一）的超导细线。这并不是科幻，是中国科学家实现的最新突破。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研发出基于氮化铌（NbN）的超导纳米桥结磁成像探针，在低温环境中可实现空间分辨率优于80纳米的磁显微成像，为探索量子材料的微观奥秘打开了新窗口。

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挑战“看见”

从硬盘存储到量子计算，磁场无处不在，但要在纳米尺度，精确“看见”微弱的磁场却极其困难。传统扫描超导量子干涉仪如同高灵敏度的“磁强计”，能探测极其微弱的磁场，却受限于自身结构尺寸（通常微米级），空间分辨率难以突破。

研究团队另辟蹊径：放弃“双结环路”结构，改用“三维纳米桥”结构。设计的探头核心是一个仅20纳米厚的NbN超导纳米桥，像一座架在超导“河岸”上的微观桥梁。

当施加磁场时，这座桥的“临界电流”（保持超导态的最大电流）对周围磁场变化呈现出超导约瑟夫森结的量子衍射现象——随着微小磁场变化，桥梁就会“坍塌”变为正常态，电流通过时产生电压信号。通过扫描探针并记录电压变化，可以帮科学家绘制出高精度磁场分布图。

▲NbN纳米桥结探针的SEM图和电学性能表征图，该结的磁场响应曲线显示出夫琅禾费衍射图案。

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“高清”的关键

探针的“火眼金睛”离不开氮化铌（NbN）。 NbN的超导临界磁场高达1特斯拉以上，远超传统材料。这意味着，探针器件需要在强磁场下仍能稳定工作，适应更多极端实验条件。

同时，三维结构增强灵敏度。纳米桥采用独特设计的“三维”结构（桥层薄，两侧“河岸”厚），使其磁场响应呈现出超导约瑟夫森结的量子衍射现象，磁场噪声低至100nT/√Hz。

采用新技术和材料后，研究团队在2K低温下，成功“拍摄”到铌薄膜中的单个阿布里科索夫涡旋（超导态中的磁通量子）表面的磁场分布。

此后，研究团队用其对准一种超导纳米线单光子探测器（SNSPD）样品，这些超导纳米线宽200纳米，间距仅80纳米。在NbN超导纳米桥结磁探针下，可清晰捕捉到每根超导纳米线的抗磁响应信号，80纳米的间隙清晰可见。

▲（a）超导磁通量子涡旋成像；（b）超导纳米线条的抗磁信号成像。

新型探针能够帮助科学家看清80纳米的磁场细节，离解锁微观量子世界的密码又近了一步。同时，探针制造工艺兼容半导体产线，具备规模化潜力。

论文链接：

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

来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所

责任编辑：闫文艺