Attocube公司低温纳米位移台在NV-色心前沿进展

    近年来，金刚石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers）在科研界受到越来越多的科学家的重视。NV色心独特且稳定的光学特性使其拥有极其广泛的应用前景。尤其在大力兴起的量子信息领域，NV色心可以作为单光子源用于量子计算。而且NV色心作为具有量子敏感度的传感器，还可应用于纳米级分辨率的磁场、电场、温度和压力的探测。在生物学领域，NV色心更是很好的生物标识物，具有光学性能稳定，细胞毒性低的优点。

    德国attocube systems AG公司针对NV色心应用领域开发了多款低温纳米精度位移器及扫描器，为低温下的NV色心准确位移、旋转及扫描提供了很大的便利。以下我们总结了低温环境中(4K)NV色心研究的典型实验方案。

1. 基于NV 色心的量子网络节点和寄存器设计

    量子网络节点的实现是未来量子网络乃至量子互联网的基本要求。这样的量子寄存器在不干扰底层量子状态的情况下负责接收或发射信息。近期，美国哈瓦德大学（Cambridge，MA，USA）的Marko Loncar和Mikhail Lukin小组提出了基于金刚石纳米腔中硅空位色心的基本量子网络节点。课题组在稀释制冷机中采用德国attocube的极低温纳米位移器ANPxyz101和atocube的低温复色差物镜搭建的极低温mK共聚焦显微镜，对金刚石晶格中的光学活性点缺陷进行了表征。此外，作者还通过将系统耦合到入射光光子以及附近具有100 ms退相干时间的核自旋来演示作为量子寄存器节点的工作原理。使量子中继器迈出了坚实的一步。

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C.T. Nguyen et al, Phys. Rev. B 100, 165428 (2019)

图一、基于德国attocube公司的极低温纳米精度位移台和低温消色差物镜搭建的共聚焦显微镜

图二、系统原理图

2. NV 色心在加压凝聚态系统中的量子传感

    压力引起的影响包括平面内部性质变化与量子力学相转变。由于高压仪器内会产生巨大的压力梯度，例如金刚石腔，致使常用的光谱测量技术受到限制。为了解决这一难题，巴黎第十一大学，香港中文大学和加州伯克利大学的科研团队共同研发了一个新奇的纳米尺度传感器，研究者把量子自旋缺陷集成到金刚石压腔中来探测极端压力和温度下的微小信号，空间分辨率不受到衍射极限限制。

    为此，加州伯克利大学团队使用与光学平台高度集成的闭循环德国attocube公司的attoDRY800低温恒温器来进行试验，attoDRY800中集成了attocube公司的极低温纳米精度位移台，以此来实现快速并且准确控制金刚石压强的移动以及测量实验。

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S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) 
M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)
K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

图一、实验示意图及测量结果

3. NV 色心的自旋与光子的增强耦合研究

    可靠的量子信息系统需要不同的量子系统结合它们各自的高特性来实现。光子作为局域量子比特之间的媒介提供了尤为灵活和普遍的可能性。因此，对固体量子比特与光子的有效耦合是量子计算的基本要求。氮空位ZX具有较长的自旋相干时间，其自旋可以通过光学初始化、操纵和检测。然而，只有大约3%的光子发射被跃迁到了零声子线中。这很大的限制了单光子的区分效率和自旋与光子的相干相互作用信噪比。德国萨兰大学（Saarbrücken, Germany）的Christoph Becher小组设计和制造了一个可调谐二维光子晶体腔（图1A），并报道了一个数量级的增强发射率（图1B）。通过激光诱导，实现了M0腔模式与NVZX零声子线共振的调谐。原位光学测量可控制实时的调谐过程。其制作优化和调谐结果是光学自旋读出结果是其信噪比的三倍。Christoph教授提出的制造工艺和实验装置，可以获得更高的信噪比。为未来的量子信息提供了更多的可能和客观的前景，在此测量实验中使用的德国attocube公司制造的低温纳米位移器ANPxyz101，能够在极低温环境下，实现5 mm*5 mm*5 mm的行程，而且能够实现200 nm分辨率，1 μm精度的闭环反馈。

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T. Jung, et al; "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", arXiv:1907.07602 (2019)

图一、A 实验制备的可调谐的二维光子晶体腔体；B 在637.4 nm处M0腔模式和NV-ZPL的相互作用

4. 总体NV色心信号收集实验

    将磁性样品覆盖在表面具有较多NV色心的块体金刚石衬底上。这个NV色心表面层通常由离子注入或在金刚石表面合成富氮表面层来实现。通常采用532 nm的激光激发NV色心到激发态，并在630-800 nm波长范围收集荧光信号。同时利用微波信号激发和探测NV色心的自旋态（ESR）。荧光信号由二维的CCD探测阵列收集成像并与样品相对应。与单个NV色心的研究不同，该实验方案采用大工作距离获得大视野范围的成像，从而实现大面积信号的采集。该实验方案中对于块体金刚石衬底及磁性样品的准确位移采用的是attocube公司的ANP341系列纳米精度位移台，该位移台可以在4K低温强磁场环境中实现20 mm超大行程的位移，位移步长小至20 nm@4K，垂直方向的载重达2 Kg，低温下采用电阻式传感器，可以实现200 nm的分辨率，1 μm的重复精度。

图一、 CCD与显微镜成像系统

图二、 低温强磁环境兼容纳米精度位移台 ANP341

5. 单个NV色心研究：样品表面的纳米金刚石

    纳米金刚石的单个NV色心探测可以通过共聚焦显微技术来实现。该实验装置包括attocube的三维低温纳米位移台，Z方向可以准确调整样品到焦平面，XY可以对样品表面进行扫描。采用532 nm激光激发，对630 nm-800 nm范围的荧光信号进行采集。采用可调的微波信号对NV色心的自旋态进行激发，通过荧光信号的峰值位移来确定其自旋态。整个实验在4K低温恒温器中进行。为了研究感兴趣的区域，通常将金刚石粉末（20-30 nm）均匀的撒在样品表面，然后使用attocube三维纳米位移台来扫描样品并且对特定NV色心进行测量，并且可以通过单个NV色心观测较大温度范围内的样品性质。

图一、扫描共聚焦显微镜示意图

    Tokura课题组成功的运用此技术研究了FeGe样品中的磁涡旋结构。

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Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

6. 扫描探针量子探测器(例如：扫描磁力显微镜)

    将一个NV色心固定在扫描探针显微镜的探针末端。可以通过在针尖上“粘贴”纳米金刚石，或采用纳米压印与O2刻蚀技术将块体金刚石加工成再用N-14注入来实现NV色心，现在甚至已经有商业化的针尖。采用共聚焦显微镜将激发光聚焦在扫描探针的NV色心上。实验中样品的准确扫描是通过attocube公司的低温纳米精度位移台进行。这样便可实现对样品表面的纳米级精度大范围成像测量。该技术理论上可以对多种与NV色心荧光相关的特性进行高精度显微学测量。

图一、扫描探针显微镜示意图 

    Jayich课题组 (UCSB)运用这一技术在BaFe2(As0.7P0.3)2 超导材料的转变温度附近（30K）成功观测到了旋涡。这一技术在研究材料低温下的新奇性质方面前景广阔。

更多细节请参考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

7. 基于NV色心显微镜对畴壁跳变的纳米级成像与控制

    磁力线中的畴壁可能对未来的自旋电子器件是有用的，因此其纳米尺度的表征是迈向实用化的重要一步。正如法国科学家Vincent Jaques在《科学》杂志上所展示的那样，基于AFM/CFM的NVZX显微镜可以对1 nm厚的铁磁纳米线中的畴壁进行成像，以及单个畴壁钉扎位置之间的跳跃。同时，研究还表明，由于高的局部激光功率，畴壁可以通过局部加热诱导跳跃而沿导线移动。对实验结果起关键作用的是德国attocube公司的低温纳米位移台，其能够实现低温下纳米精度的样品位移、倾角、旋转和扫描等功能。

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Tetienne et al ., Science 344, 1366(2014)

图一、实验装置示意图

关键词：低温位移台；近场扫描微波显微镜； 稀释制冷机

背景介绍

       扫描隧道显微镜（STM）^[1]和原子力显微镜（AFM）^[2]等基于扫描探针显微术（SPM）的出现使得科学家能够在纳米级分辨率下去研究更多材料的物理特性及图形。以这些技术为基础的纳米技术、材料和表面科学的迅速发展，极大地推动了通用和无损纳米尺度分析工具的需求。尤其对于快速增长的量子器件技术领域，需要开发与这些器件本身在同一区域（即量子相干区域）中能够兼容的SPM技术。然而，迄今为止，能够与样品进行量子相干相互作用的纳米尺度表征的工具仍非常有限。特别是在微波频率下，光子能量比光波长小几个数量级，加之缺乏单光子探测器和对mK极端温度的严格要求，更是一个巨大的挑战。近年来，固态量子技术飞速发展迫切需要能够在此极端条件下运行的SPM探测技术。

技术核心

       近场扫描微波显微技术（NSMM）^[3]结合了微波表征和STM或AFM的优势，通过使用宽带或共振探头来实现探测。在近场模式下，空间分辨率主要取决于SPM针尖尺寸，可以突破衍射极限的限制，获得纳米级别的高分辨率图像。NSMM的各种实现方式已被广泛应用于非接触式的探测半导体器件^[4]，材料中的缺陷^[5]、生物样品的表面^[6]及亚表面分析，以及高温超导性^[7]的研究。但是在极低温量子信息领域中的应用还鲜有报道。英国国家物理实验室NPL的塞巴斯蒂安·德·格拉夫（Sebastian de Graaf）小组与英国伦敦大学谢尔盖·库巴特金（Sergey Kubatkin）教授小组合作开发了一种在30 mK下工作的新型低温近场扫描微波显微镜，同时，该显微镜还结合了高达6 GHz的微波表征和AFM技术，旨在满足量子技术领域的新兴需求。

       整个系统置于一台稀释制冷机中（如图1（b）所示），NSMM显微镜的示意图如图1（a）所示：在石英音叉上附着了一个平均光子占有率为~1的超导分形谐振器。一个可移动的共面波导被用来感应耦合到谐振器上进行微波的发射和信号的读出。整个系统的核心是德国attocube公司提供的兼容极低温的铍铜材质的纳米精度位移台，该小组使用一组ANPx100和ANPz100纳米位移器将样品与针尖在x，y和z方向上对齐，同时使用一个小的ANPz51纳米位移器进行RF波导的纳米级定位和耦合。

图1.（a）NSMM显微镜的示意图。（b） 稀释制冷机中弹簧和弹簧悬挂的NSMM示意图。

测量结果

       如图2所示，Sebastian教授演示了在单光子区域中以纳米级分辨率进行扫描的结果。扫描的区域与在硅衬底上形成铝图案的样品相同。扫描显示三个金属正方形（2×2μm²）与两个较大的结构相邻，形成一个叉指电容器。叉指电容器的每个金手指有1 μm的宽度和间距，尽管在图2中，由于JD的形状，这些距离看起来不同。

图2. 在30 mK下扫描具有相邻金属垫的交叉指电容器.（a）得到的AFM形貌图。（b） 单光子微波扫描（~1）显示了微波谐振腔的频移,微波扫描速度为0.67 μm/s.（c）高功率微波扫描结果（~270）。（d） 在调谐叉频率（30 kHz）下解调的PDH误差信号，与dfr/dz（~270）成正比。（e） 扫描获得的信噪比（SNR）作为平均光子数的函数。

attocube低温位移台

       德国attocube公司是世界上著名的极端环境纳米精度位移器制造公司。拥有20多年的高精度极低温纳米位移台的研发和生产经验。公司已经为世界各地科学家提供了5000多套位移系统，用户遍及著名的研究所和大学。它生产的位移器设计紧凑，体积极小，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器。德国attocube公司的位移器以稳定而优异的性能、原子级的定位精度、纳米位移步长和厘米级位移范围深受科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和极端环境中，包括超高环境(5E-11 mbar)、低温环境（10mK）和强磁场中（31 Tesla）。

图3. attocube低温强磁场纳米精度位移器，扫描器，3DR

主要参数及技术特点

参考文献：

[1]. Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, C. & Weibel, E. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982).

[2]. Binnig, G., Quate, C. F. & Gerber, C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).

[3]. Bonnell, D. A. et al. Imaging physical phenomena with local probes: From electrons to photons. Rev. Mod. Phys. 84, 1343 (2012).

[4]. Kundhikanjana, W., Lai, K., Kelly, M. A. & Shen, Z. X. Cryogenic microwave imaging of metalinsulator transition in doped silicon. Rev. Sci. Instrum. 82, 033705 (2011).

[5]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).

[6]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).

[7]. Lann, A. F. et al. Magnetic-field-modulated microwave reectivity of high-Tc superconductors studied by near-field mm-wave. microscopy. Appl. Phys. Lett. 75, 1766 (1999).

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    20世纪60年代物理学家约翰·哈伯德提出的Hubbard模型是一个简单的量子粒子在晶格中相互作用的物理模型，该模型被用于描述高温超导，磁性绝缘体，复杂量子多体中的物理机制。Hubbard模型在二维材料中的验证可以当做是量子模拟器，用以解释强关联量子粒子中的问题。近期，美国康奈尔大学的Jie Shan课题组在《自然》杂志上发表了WSe₂/WS₂超晶格中的低温光电与磁光性质新进展，验证了Hubbard模型在二维材料体系中的实用性。

    文章通过对对角相排列的二硒化钨（WSe₂）与二硫化钨（WS₂）的研究，得到二维三角晶格Hubbard模型的相图。如图1a所示，由于双层WSe₂/WS₂的4%晶格失配而形成三角形的莫尔超晶格。通过调控双层WSe₂/WS₂器件的偏置电压来调控载流子浓度与填充因子，从而研究其电荷和磁性能。值得注意的是，WSe₂/WS₂之间的扭转角不同，两者的反射光谱展现出不同的性质（见图1d与图1e）。同时，在反射对比中观察到准周期调制，这可能与半整数莫尔代填充有关。

图1. WSe₂/WS₂超晶格晶胞(a)，能带(b)与器件示意图(c), WSe₂/WS₂扭转角分别为20度（d）与60度（e）时候的反射光谱数据。

    通过测量WSe₂/WS₂超晶格器件的电阻，作者发现当填充因子是0.5（半填充）或者1（完全填充）时，电阻变化最 大（见图2c），该结果表明该器件在半填充与完全填充的时候具有绝缘态。

图2. a: 温度1.65K，WSe₂/WS₂超晶格反射光谱随载流子浓度调控变化图。b: 反射光谱强度与填充因子的关系图。c: 不同温度下，器件电阻与填充因子曲线(内置图，电阻随温度变化图）。

图3. a: 温度1.65K，WSe₂/WS₂超晶格圆偏振反射光谱随磁场变化。b: 不同填充因子情况下反射光谱塞曼分裂结果。c-d: g因子随温度变化结果。

    在半填充状态下，左旋圆偏振与右旋圆偏振测量的WSe₂/WS₂超晶格反射光谱在磁场下具有不同峰位（图3a）。该峰位差即是反应了磁场引入的塞曼分裂现象。通过分析g因子随温度变化的结果，确认温度高于4K时，WSe₂/WS₂超晶格的磁化率与温度关系符合居里-韦斯定律（Curie–Weiss law）。对以上磁化率与温度结果的进一步分析可以证实在WSe₂/WS₂超晶格中Hubbard模型完全适用。

    文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY2100低温恒温器来实现器件在极低温度1.65K下通过电场与磁场调控的低温光学实验。该工作成功地表明莫尔超晶格是很好的研究强关联物理并适用Hubbard模型的平台。

图4：低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列，超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。

attoDRY2100+CFM I主要技术特点：

+ 应用范围广泛:  PL/EL/ Raman等光谱测量

+ 变温范围：1.5K - 300K

+ 空间分辨率：< 1 μm

+ 无液氦闭环恒温器

+ 工作磁场范围：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体可选)

+ 低温消色差物镜NA=0.82

+ 精细定位范围： 5mm X 5mm X 5mm @4K

+ 精细扫描范围：30 μm X 30 μm @4K

+ 可进行电学测量，配备标准chip carrier

+ 可升级到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

参考文献：

[1]. Yanhao Tang et al, Simulation of Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices, Nature, 579, 353–358(2020)