在材料科學和量子物理的交叉領域，金剛石中的氮空位（NV）色心因其特殊的量子特性，成為科研人員關注的焦點。為實現納米尺度的磁場傳感，研究人員將納米金剛石中的NV色心被附著在原子力顯微鏡（AFM）針尖上，或使用承載單個NV色心的金剛石AFM尖端。如今，這類帶有單一NV色心的鉆石AFM針尖以及配套的顯微鏡設備已實現商業化，廣泛應用于各類傳感研究中。

由于NV色心在低溫環境下對磁場的感知更為敏銳，研究該溫度區間的磁場對于探索量子器件的新型材料、二維材料和磁性的基本原理尤為重要。基于此，德國attocube公司精心研發推出低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2200中的商用掃描氮空位磁強計補足了低溫領域的部分技術空白。值得一提的是，該商用掃描氮空位磁力計第一套設備已經安裝在歐洲的研究機構實驗室運行。

該低溫NV色心磁強計能夠在 2K 至 300K 的溫度范圍內，以納米分辨率測量樣品的雜散磁場，且無需對樣品進行額外處理，特別是無需在樣品上制備微波線路。儀器配備成熟的軟件界面和完全遠程可控的顯微鏡平臺，便于控制和同步所有包括光學、機械和電子設備，并實時分析獲取數據信息。

設備簡介：

設備架構如圖1所示，測量所需的所有電子設備和光學器件均安裝在兩個 19 英寸的機架中，布局緊湊且便于操作和維護。attoDRY2200低溫恒溫器采用先進的閉路氦循環技術，無需補充氦氣，保證基本溫度低于1.8 K。由于配備特殊的氣動阻尼系統，attoDRY2200成為專為低溫掃描探針實驗打造的超低振動測量平臺。該阻尼系統能夠有效地將脈沖管冷頭內部以及其他設備和操作產生的機械振動與樣品空間隔離開，確保樣品空間不受干擾。超導矢量磁體具備多種配置模式，可在垂直方向上產生高達9T的強大磁場，滿足不同研究對磁場強度的需求。

圖1. 低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2200中商用掃描氮空位磁力計。（1）機柜內包含：計算機，微波發生器，數據采集，激光和光子計數器。（2）機柜內包含：掃描控制器，位移臺，矢量磁體電源。（3）帶有矢量磁體的閉式循環低溫恒溫器和顯微鏡插桿的示意圖，其中包含樣品、物鏡和AFM探針。（4）用于寬視場成像和共聚焦激勵和檢測的光學模塊；包括驅動和控制光學機械的電機。(5)低溫恒溫器支持單元。attoDRY2200可以選配低溫拉曼顯微鏡，低溫AFM，低溫雙軸旋轉臺等配置。

attoDRY2200低溫恒溫器的光學模塊是其一大亮點，可提供共聚焦和廣角成像功能。廣角成像對于定位金剛石針尖和樣品區域發揮著重要作用。該光學模塊安裝在軸承軌道系統上，在樣品空間的位置重復性可達20 µm。這意味著在進行樣品交換，或顯微鏡插桿插入、拿出低溫恒溫器時，用戶無需重新校準光學器件，大大節省了實驗時間，提高了實驗效率。

樣品和AFM針尖可通過低溫位移臺在3 mm范圍內精密移動，也可借助壓電掃描儀在室溫下實現 30μm、在基礎溫度下實現 15μm 范圍內的移動。實驗使用了消色差、低溫和高真空兼容的物鏡來激發和檢測NV色心熒光。在進行ODMR測量時需要微波激發，瑞士QZabre公司提供的探頭在NV色心附近集成了微波線路，提高了激發效率，并且避免了通常所需的、可能對樣品有害的尖端線路校準。圖 2 展示了 AFM 針尖和微波線路。集成的微波線路在NV色心處產生的拉比頻率遠超過10 MHz。

圖2：由QZabre公司制作的集成鉆石針尖音叉和微波線的照片。

在進行磁測量掃描時，主要涉及AFM校準控制和NV色心表征兩個關鍵步驟。在AFM校準階段，需要測量僅由布朗力引起的音叉共振。這一步驟對于檢測到的電壓與金剛石針的位移和力之間的關系非常重要。因為過大的力會對脆弱樣品造成傷害。完成校準音叉后，便可以進一步探測針尖-樣品相互作用，從而調整AFM控制器的回路參數。

測試結果：

圖3顯示了該儀器在1.6 K和300 K下飽和度測量的光學性能。此外，在金剛石表面以下400 nm的體金剛石中，以單個NV色心的飽和曲線作為參考。圖4 attocube公司對一個遠離樣品的位置進行了1秒積分時間的ODMR測量。因為微波激發加熱效應，在測量過程中樣品處溫度溫度升高到2.8 K。實驗結果顯示，直流磁場靈敏度為3.2(1)µT/√Hz。

圖3：在300 K的體金剛石中單個NV中心的飽和度測量； 與300 K和1.6 K的QZabre針尖中NV中心的飽和度測量。在進行飽和度測量之前，通過實驗確定了樣品處的激光功率。

圖4 在2.8 K時的磁場靈敏度測量。進行了2500次測量，每次測量持續時間為1s。樣品在NV色心下方1 mm處，矢量磁鐵提供偏置場。

德國attocube公司對Ir/Fe/Co/Pt多層樣品進行了磁學測量。圖5展示了2.9 K溫度下樣品產生的磁場分布。步長為20 nm的光學檢測磁共振ODMR測量掃描需要8小時，無需手動校正。該設備的一個重要技術指標是橫向空間分辨率，空間分辨率受到NV色心和樣品之間的距離的影響。

圖5：用光學檢測磁共振ODMR測量Ir/Fe/Co/Pt多層樣品的磁場。掃描過程中樣品溫度為2.9 K。針尖被設置為在樣品上方50 nm的恒定高度。像素-像素之間距離為20 nm。圖像沒有進行后處理。

綜上所述，該儀器的高靈敏度和低噪聲性能，能夠在不需要額外樣品制備的情況下測量2K到300 K溫度范圍內的納米尺度磁場分布。先進的光學、機械和電子組件的集成，以及用戶友好的軟件界面，有效確保精確、無損和高效的定量磁場測量。該儀器改變了量子傳感和材料科學領域的新研究和應用范式，為強大的磁成像技術提供了切實的精度改進。

attocube低震動無液氦磁體與恒溫器

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100/2200 已經在北京大學，半導體所，清華大學，南京大學，復旦大學等單位順利運行，持續助力各個課題組的科研工作。圖5為常見的的低溫強磁場拉曼顯微鏡，該系統集成成熟拉曼顯微鏡，配置attocube特有的低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺，可以實現對常見二維材料，量子點，納米線等微納尺度材料的低溫拉曼，熒光光譜，光電流等光電磁學性質測量。2024年3月，德國attocube公司推出了用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。該系統已經在英國，德國，中國等國家進行安裝與運行，助力全球用戶進行NV色心成像研究。

圖6：常見配置-低溫強磁場拉曼顯微鏡。

attoDRY2200主要技術特點：

? 超低振動、基于脈沖管的閉環低溫恒溫器，專為掃描探針顯微鏡應用而設計

? 磁場范圍：0~9T ( 可選9T-1T-1T矢量磁體)

? 寬溫度范圍：1.8 K~300 K

? 通過 eNSPIRE 電子設備進行自動化控制，實時繪圖，多功能接口

? 可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K

? 商業化探針

? 可集成升級 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

圖7：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100/2200 部分發表文獻：

? Xing DING, et al. High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing.Nature Photonics, 2025

? Yu YE, et al. Multi-parameter control of photodetection in van der Waals magnet CrSBr.Light: Science & Applications, 14: 67 (2025)

? Yihua WANG, et al.Direct observation of chiral edge current at zero magnetic field in a magnetic topological insulator.Nature Communications 16, : 963 (2025)

? Zhiliang YE, et al. Resolving polarization switching pathways of sliding ferroelectricity in trilayer 3R-MoS₂. Nature Nanotechnology, 2025

? Xuefeng WANG, et al. Large Anomalous Hall Effect in a Noncoplanar Magnetic Heterostructure. Adv. Funct. Mater. 2025, 2422040

? Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560

? Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics 20,  783–787 (2024)

? Xiaodong XU, et al. Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid, Nature 635, 590–595 (2024)

? Feng JIN, et al.π Phase Interlayer Shift and Stacking Fault in the Kagome Superconductor CsV₃Sb₅. Phys. Rev. Lett. 132, 066501, 2024

? Yang XU,  et al. Observation of Rydberg moiré excitons. Science 380, 1367–1372 (2023).

低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY 部分國內用戶單位：