走査型NV磁力計、量子ダイヤモンド顕微鏡

アプリケーション

米粒ほどの大きさのラップトップのハードドライブを想像できますか? 磁場中の神秘的な準粒子構造であるスキルミオンは、この「米粒」のより多くの記憶領域とより高速なデータ転送速度を備えて、この一見考えられないアイデアを現実にする可能性があります。では、この奇妙な粒子構造を観察するにはどうすればよいでしょうか? CIQTEK Quantum Diamond Atomicダイヤモンドの窒素空孔 (NV) 中心と AFM スキャン画像に基づいた力顕微鏡 (QDAFM) が答えを教えてくれます。スキルミオンとは大規模集積回路の急速な発展により、チップがナノメートルスケールに加工され、量子効果が徐々に明らかになり、「ムーアの法則」は物理的な限界に直面しました。同時に、チップ上に集積された電子部品がこれほど高密度に集積されると、熱放散の問題が大きな課題となっています。人々はボトルネックを打破し、集積回路の持続可能な開発を促進するための新しい技術を緊急に必要としています。スピントロニクスデバイスは、電子のスピン特性を利用することで情報の保存、転送、処理の効率を高めることができ、これは上記のジレンマを打破する重要な方法です。近年、磁性構造のトポロジカル特性とその関連応用は、次世代スピントロニクスデバイスの情報担体として期待されており、この分野で現在注目されている研究の一つとなっている。スキルミオン（以下、磁気スキルミオンと呼ぶ）は準粒子の性質を持ったトポロジカルに保護されたスピン構造であり、特殊な磁壁としてその構造は渦を伴う磁化分布となっている。磁壁と同様に、スキルミオンにも磁気モーメント反転が存在しますが、磁壁とは異なり、スキルミオンは渦構造であり、その磁気モーメント反転は中心から外側に向かうもので、一般的なものはブロッホ型です。スキルミオンとニール型スキルミオン。図 1: スキルミオンの構造の模式図。(a) ニール型スキルミオン (b) ブロッホ型スキルミオンスキルミオンは、操作の容易さ、安定性の容易さ、小型、駆動速度の速さなどの優れた特性を備えた天然の情報媒体です。したがって、スキルミオンをベースにした電子デバイスは、不揮発性、大容量、高速性、低消費電力といった将来のデバイスの性能要件を満たすことが期待されています。スキルミオンの用途とはスカーミオン競馬場の記憶 Racetrack メモリは、磁性ナノワイヤをトラックとして、磁壁をキャリアとして使用し、電流によって磁壁の動きを駆動します。2013 年に研究者らは、より有望な代替品であるスキルミオン競馬場メモリを提案しました。磁壁の駆動電流密度と比較すると、スキルミオンは 5 ～ 6 桁小さいため、エネルギー消費と発熱が少なくなります。スキルミオンを圧縮することにより、隣接するスキルミオン間の距離とスキルミオンの直径を同程度の大きさにすることができ、記憶密度を高めることができます。図 2: スカーミオンベースの競馬場メモリスキルミオントランジスタスキルミオンはトランジスタの方向にも使用でき、半導体開発に新しいアイデアをもたらします。図 3 に示すように、MTJ (磁気トンネル接合) を使用してデバイスの一端でスキルミオンが生成され、続いてスピン分極電流がスキルミオンをもう一方の端に向かって駆動します。トランジスタのスイッチング状態を実現するために、デバイスの中央にゲートが設置されます。ゲートに電圧を印加すると電場が発生し、材料の垂直磁気異方性が変化し、スキルミオンのオン/オフを制御できます。電圧が印加されていない場合、スキルミオンはゲートを通過してデバイスの他端に達することができ、この状態はオン状態として定義されます。外部電場が印加されるとスキルミオンはゲートを通過せず、この状態がオフ状態と定義されます。図 3: スキルミオントランジスタスキルミオンベースの型破りなコンピューティングニューロモーフィックコンピューティングユニットは、従来のコンピューティングユニットと比較して、ニューラルネットワークの観点から低消費電力と大規模なコンピューティングという利点を持っています。ニューロモーフィックコンピューティングユニットを製造するには、ナノメートルサイズ、不揮発性、低消費電力の要件を満たす必要があります。スキルミオンはそのようなデバイスに新たな可能性をもたらします。スキルミオンは制御された可動性を備えているため、生体神経を適切にシミュレートすることができ、同時に不純物の固定効果をより効率的に取り除くことができ、より堅牢になります。図4: (a) スキルミオンベースのニューラルコンピューティングデバイス (b) スキルミオンベースの確率的コンピューティングデバイススキルミオンはランダムなコンピューティングデバイスでも使用できます。主流のコンピューティング技術は従来のバイナリ形式で値をエンコードしますが、ランダムコンピューティングはランダムなビットストリームを継続的に処理できます。従来の半導体回路は、擬似乱数発生器とシフトレジスタを組み合わせて信号を生成するため、ハードウェアのコストが高く、エネルギー効率が低いという欠点がありました。研究者らは最近、熱によるスキルミオンの生成を理論的にも実験的にも発見し、スキルミオンベースのランダムコンピューティングデバイスの基礎を提供しました。スキルミオン研究の応用における CIQTEK 量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡スキルミオンの研究は適切な観察技術がなければ実施できません。実空間でスキルミオンを観察するには次の技術が一般的に使用されます。ローレンツ透過型電子顕微鏡 (LTEM)。その原理は、電子ビームを使用してサンプルを透過し、電子にかかるローレンツ力を記録することです。磁気力顕微鏡法 (MFM) は、磁気チップを使用して原子間力顕微鏡技術を使用してサンプル表面上の磁場力を記録します。X 線顕微鏡の原理は、X 線の吸収率がサンプルの磁場を反映することです。もう一つは、光磁気カー効果を利用して磁化分布を測定する光磁気カー顕微鏡法 (Moke) です。これらの観察ツールにはそれぞれ、LTEM の厳しいサンプルサイズ要件、モークの空間分解能の低さ、スキルミオンのイメージングに影響を与える可能性がある MFM チップの磁気特性などの制限があります。近年、ダイヤモンドの特殊な欠陥構造である窒素空孔（NV）中心の存在が研究者の注目を集めています。NV軸の磁場成分の強度は、NV中心の電子スピンの量子状態をマイクロ波やレーザーで操作して読み取ることで得られます。 NV センター走査型プローブ顕微鏡 (SPM) は、ダイヤモンドの NV センターを AFM プローブチップに統合し、AFM スキャン技...

細胞研究のためのダイヤモンドNVセンター磁気イメージング技術

光、電気、熱、磁気はすべてライフサイエンス測定に関与する重要な物理量であり、光学イメージングが最も広く使用されています。技術の継続的な発展により、光学イメージング、特に蛍光イメージングは生物医学研究の視野を大きく広げてきました。しかし、光学イメージングは、生体サンプルのバックグラウンドシグナル、蛍光シグナルの不安定性、および絶対定量の難しさによって制限されることが多く、その応用がある程度制限されます。磁気共鳴画像法 (MRI) は優れた代替手段であり、浸透性が高く低強度であるため、頭蓋、神経、筋肉、腱、関節、腹部骨盤臓器の病変の検査など、いくつかの重要なライフサイエンスのシナリオで広範囲に応用できます。バックグラウンドと安定性の特性。MRI は前述の光学イメージングの欠点に対処することが期待されていますが、低感度と低い空間分解能によって制限されており、ミクロンからナノメートルの分解能で組織レベルでのイメージングに適用することが困難になっています。近年開発された新しい量子磁気センサーである窒素空孔（NV）センター、ダイヤモンドの発光点欠陥、 NVセンターベースの磁気イメージング技術は、ナノメートルレベルまでの分解能で微弱な磁気信号の検出を可能にし、非磁性を実現します。 -侵襲的。これにより、ライフサイエンス向けに柔軟で互換性の高い磁場測定プラットフォームが提供されます。これは、免疫および炎症、神経変性疾患、心血管疾患、生体磁気センシング、磁気共鳴造影剤、特に光学的背景および光学的透過収差を含む生体組織の分野における組織レベルの研究および臨床診断を実施するのに独特であり、以下を必要とする定量分析。ダイヤモンドNVセンター磁気イメージング技術ダイヤモンド NV センター磁気イメージング技術には、主に 2 つのタイプがあります。走査磁気イメージングと広視野磁気イメージングです。走査型磁気イメージングは、ダイヤモンド単色中心センサーを使用する原子間力顕微鏡 (AFM) 技術と組み合わされています。イメージング方法は単一点走査タイプのイメージングであり、非常に高い空間分解能と感度を備えています。ただし、イメージング速度とイメージング範囲により、一部の領域ではこの技術の適用が制限されます。一方、広視野磁気イメージングでは、単一の NV センターと比較して、高密度の NV センターを備えたテザーダイヤモンドセンサーが使用され、空間分解能は低下しますが、広視野のリアルタイムイメージングに大きな可能性を示します。後者は、細胞磁気イメージングの分野の研究により適している可能性があります。の応用 NVセンター細胞研究における広磁場磁気イメージング技術応用例 1: 走磁性細菌の磁気イメージング走磁性細菌は、外部磁場の作用下で方向性を持って移動し、主に土壌、湖、海洋で体内で磁性ナノ粒子 (マグネトソーム) を形成できる細菌の一種です。細菌をダイヤモンド表面に置き、光学的方法を使用してNV中心の量子スピン状態を調べることにより、研究者は細菌内のマグネトソームによって生成された磁場ベクトル成分の画像を迅速に再構成できます。広視野磁気イメージング顕微鏡により、サブミクロンの解像度と広い視野で複数の細胞の光学的および磁気的イメージングを同時に行うことができます。この研究は、高空間分解能条件下で生細胞内の生体磁気構造をイメージングする新しいアプローチを提供し、細胞および細胞ネットワーク内の広範囲の磁気信号のマッピングを可能にします。図 1. 向磁性細菌の磁気イメージング (画像クレジット: DL Stage et al. 生細胞の光磁気イメージング Nature, 2013, 496(7446): 486-489) 応用例 2: マクロファージの鉄取り込みの磁気イメージングマクロファージの主な機能は、固定細胞または遊離細胞の形で細胞破片および病原体を貪食（つまり、貪食および消化）し、リンパ球または他の免疫細胞を活性化して病原体に応答することです。マクロファージは複数の機能を持つ免疫細胞であり、サイトファジー、細胞性免疫、分子免疫学の研究にとって重要な対象です。図 2 に示すように、研究者らは、サブミクロン分解能とナノテスラ感度を備えた Diamond NV 中心ベースの広視野磁気イメージングを使用して、マウス動物の細胞および組織内の磁場をイメージングしました。この技術の有用性は、マクロファージの鉄を観察することによって実証されました。マウスをモデルとして使用し、肝組織サンプル中の鉄過剰摂取と検出を行います。さらに、研究者らは生細胞における磁性粒子のエンドサイトーシスを検出しました。このアプローチは、MRI ボクセルとその微視的コンポーネントの間のギャップを埋めます。図 2. マクロファージの鉄取り込みの磁気イメージング研究 (画像クレジット: HC Davis et al. 細胞内ダイヤモンド磁力測定による磁気共鳴画像コントラストのマイクロスケール起源のマッピング、Nature Communications、2018、9:131) アプリケーション 3: 免疫磁気標識細胞の磁気イメージングがんは現在、人類にとって最も致死率の高い病気の一つです。がんの分子メカニズムの研究と早期かつ正確な臨床診断は、効果的な治療の基礎となります。図 3. 肺がん組織の磁気画像研究 (画像クレジット: SY Chen et al. ダイヤモンドの量子センサーを使用した腫瘍組織の免疫磁気顕微鏡法、Proc. Natl. Acad. Sci. USA、2022、119: e2118876119) 中国科学技術大学 (USTC) は、組織レベルの免疫磁気標識法を開発しました。超常磁性粒子は、抗原抗体の特異的認識によって腫瘍組織内のPD-L1などの標的タンパク質分子で特異的に標識されました。次に、組織サンプルをダイヤモンド表面に密着させ、ダイヤモンドの表面近くに約 100 nm で分布した NV 中心の層を、400 nm の分解能で磁場イメージングを行うための 2 次元量子磁気センサーとして使用しました。 NV 広視野顕微鏡 (図 3) は、ミリメートルの視野でミクロンレベルの空間分解能を実現します。最後に、磁場に対応する磁気モーメント分布が深層学習モデルによって再構築され、定量的分析の基礎が提供されました。ハーバードスミス天体物理学センターは、NV 広視野磁気イメージングによる免疫磁気標識技術を使用しています。癌細胞と健康な細胞の磁気イメージングの比較は、細胞検出の分野における生物医学に重要なツールを提供するこのイメージング技術の有用性を特徴付けるために行われました。 ...

2D 磁性材料の新たな地平 - 量子ダイヤモンド NV センター AFM アプリケーション

何世紀にもわたって、人類は磁気とそれに関連する現象を休むことなく研究してきました。電磁気学と量子力学の初期の頃、磁石が鉄に引き寄せられることや、鳥、魚、昆虫が何千マイルも離れた目的地間を移動する能力を人間が想像することは困難でした。これは同じ驚くべき興味深い現象です。磁気の原点。これらの磁気特性は、電子と同様に普及している素粒子の移動する電荷とスピンに由来します。二次元磁性材料は非常に興味深い研究のホットスポットとなっており、スピントロニクスデバイスの開発に新たな方向性を切り開き、新しい光電子デバイスやスピントロニクスデバイスに重要な用途をもたらします。最近では、『Physics Letters 2021』第 12 号でも 2 次元磁性材料の特集を開始し、理論と実験における 2 次元磁性材料の進歩をさまざまな視点から解説しています。わずか数原子の厚さの二次元磁性材料は、非常に小さなシリコンエレクトロニクスの基板として使用できます。この驚くべき材料は、ファンデルワールス力、つまり分子間力によって積み重ねられた極薄層のペアでできており、層内の原子は化学結合によって結合されています。原子の厚さしかありませんが、磁気、電気、力学、光学の点で物理的および化学的特性を保持しています。二次元磁性材料画像は https://phys.org/news/2018-10-flexy- flat-function-magnets.html から参照興味深いたとえを使用すると、2 次元磁性材料内の各電子は、N 極と S 極を備えた小さなコンパスのようなもので、これらの「コンパスの針」の方向が磁化の強さを決定します。これらの極小の「コンパスの針」が自発的に整列すると、磁気シーケンスが物質の基本相を構成し、発電機やモーター、磁気抵抗メモリ、光バリアなどの多くの機能デバイスの作製が可能になります。この驚くべき特性により、二次元磁性材料も注目されています。集積回路の製造プロセスは現在改善されつつありますが、デバイスが縮小しているため、すでに量子効果によって制限されています。マイクロエレクトロニクス産業は信頼性の低さや消費電力の高さなどのボトルネックに直面しており、50年近く続いてきたムーアの法則も困難に直面している（ムーアの法則：集積回路上に収容できるトランジスタの数は約2倍になる） 18 か月ごと)。将来的に二次元磁性材料が磁気センサー、ランダムメモリ、その他の新しいスピントロニクスデバイスの分野で使用できれば、集積回路の性能のボトルネックを打破できる可能性があります。磁性ファンデルワールス結晶が特別な磁気電気効果を持っていることはすでに知られているため、定量的な磁気研究は二次元磁性材料の研究において不可欠なステップです。しかし、そのような磁石のナノスケールでの磁気応答に関する定量的な実験研究はまだ非常に不足しています。いくつかの既存の研究では、ミクロンスケールでの結晶磁性の検出の実現が報告されていますが、これらの技術はまだ磁化に関する定量的な情報を提供していないだけでなく、極薄サンプルの妨げとなる磁気信号と干渉する傾向が非常に高いです。したがって、ナノスケールで材料の磁気特性を調べるためには、検出技術の更新が非常に緊急の課題となります。この課題に対処するために、CIQTEK は新しい量子精密測定である量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡 (QDAFM)、ダイヤモンド NV センターおよび AFM 走査イメージング技術に基づく走査型 NV 顕微鏡を提供します。ダイヤモンドの窒素空孔 (NV) 中心欠陥のスピンを量子操作して読み出すことにより、磁気特性の定量的非破壊イメージングを実現できます。ナノメートルスケールでの高い空間分解能と個々のスピンの超高検出感度を備えているため、ファンデルワールス磁石の重要な磁気特性を定量的に検出し、その磁化、局所欠陥、磁気の高空間分解能磁気イメージングを実行することができます。ドメイン。非侵襲的であり、広い温度領域をカバーし、広い磁場測定範囲をカバーするという独自の利点があります。生物学や医学の研究分野だけでなく、量子科学、化学、材料科学にも幅広い用途があります。二次元ヨウ化クロムの磁化図画像はProbing Magnetism in 2D Materials at the nanoscale withsingle-spin microscopy（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926）より引用以下では、ナノ磁気共鳴イメージング、超伝導磁気共鳴イメージング、細胞のその場イメージング、およびトポロジカル磁気構造の特性評価におけるQDAFM の具体的なアプリケーションを紹介します。 CIQTEK 量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡 (常温バージョンと極低温バージョン) 01 ナノ磁気共鳴イメージング磁性材料の場合、その静的スピン分布を決定することは物性物理学の重要な問題であり、新しい磁気デバイスの研究の鍵となります。QDAFM は、非侵襲性、広い温度領域のカバー、広い磁場測定範囲などの独自の利点を備えた高空間分解能の磁気イメージングを可能にする新しい方法を提供します。ブロック型磁壁イメージング画像はTetienne、JPet al.から参照極薄強磁性体の磁壁の性質は、走査ナノ磁気測定によって明らかになりました。ネイチャーコミュニケーションズ6, 6733(2015) 02 超電導磁気共鳴イメージング超伝導体とその渦のミクロスケールの研究は、超伝導のメカニズムを理解するための重要な情報を提供します。低温で動作する QDAFM を使用すると、超伝導体の磁気渦の定量的イメージング研究を実行でき、多数の低温凝縮物質系の磁気測定に拡張できます。単一磁気渦のスプリアス場の定量的イメージング画像は Thiel, L. et al. 極低温量子磁力計を使用した定量的ナノスケール渦イメージングから参照されました。ネイチャーナノテクノロジー 11,677-681 (2016)。 03 細胞 in situ イメージング細胞内のその場でのナノスケール分子イメージングの達成は、生物学研究にとって重要なツールです。数あるイメージング技術の中でも、試料体内のスピン分布の画像を非破壊で迅速に取得できる磁気共鳴イメージングは、いくつかの科学分野で広く使用されています。特に臨床医学においては、生体への侵襲性がほとんどないため、病気のメカニズムの研究、診断、治療に重要な役割を果たしています。しかし、従来の磁気共鳴イメージング技術は、ミクロンを超える空間分解能の限界を持つセンサーとして磁気誘導...

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