我国成功自研首个“超导磁体中的可整体旋转磁力显微镜”

磁场是一种看不见、摸不着的特殊的场。磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

日前，合肥物质科学研究院强磁场中心陆轻铀课题组自主研制成功首 个超导磁体中的可整体旋转磁力显微镜(MFM)，即探针与样品一同在磁场中旋转，磁场方向在平行于样品与垂直于样品间连续变化，从而在非矢量型超导磁体中实现了材料磁畴结构相对于磁场方向不同角度的各向异性成像测量。该装置的研制成功为实现高场全角度各向异性磁结构成像提供了测量平台，也为其推广至更强磁场与极低温条件成为可能。

磁体是指能够产生磁场的物质或材料。是一种奇特的物质，它有一种无形的力，既能吸引一些物质，又能排斥一些物质。一般分为永磁体和软磁体。磁体具有两极性，磁性北极N，磁性南极S，斩断后仍是两极N级、S极。单个磁极不能存在。同时，磁体具有指向性，如果把一个磁体悬挂起来，就会发现它的南极指向地理南磁极左右，北极指向地理北磁极左右。

超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗，具有很强的实用价值。在工业和科研上应用极广，但它必须在液态氦温度下工作，成本较高。超导磁体储能在电力系统中的应用首先是由Ferrier 在1969年提出的。最初的设想是为了满足法国电力系统的调节负荷变化的需要。在20世纪70年代，制作一个超导线圈比制作一个电力电子装置容易。1974 年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研制出了第一个可以运行的带三相逆变器的超导磁体储能系统。超导磁体储能的原理是利用超导线圈直流电流产生的磁场储存能量，为了减少能量损耗，储能线圈需由超导材料制成并将其浸没在液态的氮或氦中。超导线圈的关键技术是其制造和冷却。

磁力显微镜是一种原子力显微镜，通过磁性探针扫描磁性样品，检测探针和磁性样品表面的相互作用以重构样品表面的磁性结构。很多种类的磁性相互作用可以通过磁力显微镜测量，包括磁偶相互作用。磁力显微镜扫描经常使用非接触式的模式。磁力显微镜的扫描方法被称为“提升高度”法。当探针以小距离(< 10nm)扫描样品表面时, 检查到的不仅有磁力，还有原子力和静电力。 提升高度法通过如下手段提高磁力的精确度:首先，各条扫描线测量生成剖面。探针的测的的是样品接近于AFM测量的结果。提升磁性探针高度，离样品更远一些。重复测量, 从中提取出磁性信号。

磁力显微镜的主要结构:压电扫描仪

在x,y和z方向上移动样品。通过不同方向上的电极施加电压。通常，每1到10nm1伏特。图像通过在样品表面进行缓慢的光栅扫描得以形成。扫描区域从几个到200微米。成像时间从几分钟到30分钟。根据悬臂材料的不同，悬臂恢复力常数从0.01到100N/m。

磁性探针在灵敏的杠杆(悬臂)的一端，通常是涂油磁性材料的AFM探针。

在过去，探针通过蚀刻镍之类的磁性材料获得。现在, 探针(探针悬臂)通过结合微加工和光刻技术来制造。因此，更小的探针得以制造，并且具有更好的操控性。悬臂可以由单晶硅，二氧化硅(SiO2), 或氮化硅(Si3N4)制造。 氮化硅悬臂探针模块通常更耐用，并且有更小的恢复力常数 (k)。探针被一层很薄(< 50nm) 的磁性薄膜(比如镍或钴)，通常具有高抗磁性,因此探针的磁性状态(磁化强度M)不会在成像过程中改变。探针悬臂模块由共振频率相近的压电晶体以通常10K赫兹到1M赫兹的频率驱动。

新闻来源：中国科学院强磁场科学中心

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