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Quantenkalibriertes Magnetkraftmikroskop

31.01.2022

Erstmals wurde ein klassisches Verfahren zur Messung magnetischer Feldverteilungen, die räumlich auf der Nanometerskala variieren, mit einem atomaren Quantensensor kalibriert. Das neue Kalibrierverfahren kommt ohne vereinfachende Modellannahmen aus und ermöglicht zuverlässigere Messungen von Magnetfeldverteilungen mit hoher Ortsauflösung.

 

 

Für die Entwicklung zukünftiger magnetischer Bauteile wie Sensoren und Datenspeicher benötigt die Industrie rückgeführte Magnetfeldmesssysteme mit höchster Ortsauflösung. Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Messung magnetischer Feldverteilungen auf der Nanometerskala ist die magnetische Kraftmikroskopie (englisch: „magnetic force microscopy“, MFM). Dabei wird eine magnetische Spitze im Abstand von einigen Nanometern über der Probenoberfläche bewegt und die im Magnetfeld der Probe auf die Spitze wirkende Kraft gemessen. Um aus dieser Kraft die magnetische Feldstärke in SI-Einheiten berechnen zu können, müssen die magnetischen Eigenschaften der Spitze genau bekannt sein. Dafür wurden bislang vereinfachende Modelle in Kombination mit Messungen an magnetischen Referenzproben genutzt.


Im Rahmen einer Kooperation der PTB mit der Universität Ulm wurden erstmals die magnetischen Eigenschaften einer solchen Magnetspitze präzise mittels eines Quantensensors charakterisiert. Der Sensor, ein sogenanntes Stickstoff-Fehlstellen- (englisch: „nitrogen vacancy“) bzw. NV-Zentrum, besteht aus einem einzelnen atomaren Gitterdefekt in einem Diamantkristall, dessen optisches Spektrum vom externen Magnetfeld abhängt. In den Experimenten wurde nun die Magnetspitze in einer Ebene über dem NV-Zentrum gerastert und an jeder Stelle das optische Spektrum gemessen. Daraus wurde eine Karte des von der Spitze ausgehenden Magnetfeldes erstellt, aus der anschließend die für die Kraftmikroskopie entscheidenden magnetischen Eigenschaften der Spitze ermittelt worden sind. Die Spitze wurde somit „quantenkalibriert“ und konnte für präzise Messungen auf der Nanometerskala eingesetzt werden.


In weiteren Arbeiten soll ein derartiges Messsystem zur Charakterisierung von MFM-Magnetspitzen auch an der PTB aufgebaut werden, um zukünftig vor Ort quantenkalibrierte MFM-Messungen durchführen zu können.

 

Bild: Schema des Messaufbaus zur Kalibrierung einer MFM-Spitze mit einem Quantensensor. Die MFM-Spitze (türkis) erzeugt ein magnetisches Streufeld, das über ein einzelnes NV-Zentrum (gelb) in einem Diamantsubstrat (blau) präzise vermessen werden kann. Rastert man die Spitze über das NV-Zentrum, so erhält man daraus ihre Streufeldverteilung und damit „quantengenaue“ Informationen über ihre magnetischen Abbildungseigenschaften.

 

 

 

Wissenschaftliche Veröffentlichung:
B. Sakar, Y. Liu, S. Sievers, V. Neu, J. Lang, C. Osterkamp, M. L. Markham, O. Öztürk, F. Jelezko, H. W. Schumacher: Quantum calibrated magnetic force microscopy. Phys. Rev. B, zur Veröffentlichung akzeptiert.

 

 

 

 

 

 

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