Development of vacuum-transferable scanning diamond magnetic imaging probe system

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15444
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: Hayashi Kunitaka 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 研究員 (60836857)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: プローブ顕微鏡 / NV中心 / 磁気共鳴 / ダイヤモンド

Outline of Final Research Achievements

We have developed a sample holder transferable in a vacuum chamber for scanning diamond NV (nitrogen-vacancy) center probe to realize magnetic imaging. This setup enables us preparing a clean surface under ultra-high vacuum and scanning at low temperature. A push-pull type SMPM microwave connector was incorporated into the sample holder, which can be transported to the scanning probe head at low temperatures without breaking the vacuum. The microwave connecter on the sample holder can be fitted with the receptacle of microwave connector to feed microwaves to the sample holder. The diamond NV center probe was attached to the end of the atomic force microscope (AFM) probe based on a tuning fork type, and AFM topographic and magnetic images can be obtained simultaneously.

Free Research Field

ナノ磁気共鳴イメージング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダイヤモンド中のNV中心は室温・大気中で単一スピンを検出できる程の高い磁場感度と空間分解能を有し、さらには、温度、電場も計測可能であり、幅広い分野で研究が広がっている。このように、室温・大気中・さらには液中で計測が可能なことは特筆すべき利点である。一方で、このような環境下では不純物や複雑な環境によるノイズが大きいことも事実であり、核心をなす信号、物理原理、構造などを様々なノイズが存在する環境からどうやって効率よく抽出するかということが、今後の課題である。本研究は、超高真空・極低温というノイズの少ない環境下でNV中心による物性計測の基礎を確立し、応用へフィードバックするという意義がある。