높은 공간 분해능과 높은 자기장민감도를 가지는 자기장 측정 및 이미징 방법은 물리학, 재료 과학, 지질학 및 의학 등 다양한 분야에서 중요하다. 그러나 현재 방법은 자기장 감도가 낮거나 ...
높은 공간 분해능과 높은 자기장민감도를 가지는 자기장 측정 및 이미징 방법은 물리학, 재료 과학, 지질학 및 의학 등 다양한 분야에서 중요하다. 그러나 현재 방법은 자기장 감도가 낮거나 공간 해상도가 낮은 한계를 가지고 있다. 예를 들어 초전도 양자 간섭장치(SQUID) 방법은 자기장 감도가 높지만 공간 해상도가 낮은 (< μm) 반면, 자기력 현미경(MFM)은 공간 해상도가 높지만 자기장 감도가 낮다 (< mT). 또한, 이 방법들은 극저온 환경이 필요하거나 정량적인 측정이 제한적이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 주사탐침현미경과 다이아몬드 질소-빈자리 결함 중심(Diamond NV center, NV 센터)을 이용한 자기장 측정 방법을 결합한 새로운 이미징 방식이 제안되었다. 이 방법은 높은 공간 분해능(~10 nm)과 높은 자기장 민감도(~ nT)를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
이 논문에서 저자는 NV 센터의 기본적인 구조를 소개하고, 이 양자 상태를 이용한 측정 원리와 결과를 설명한다. 또한, 단일 NV 센터 측정을 위한 공초점 현미경과 자기장 이미징을 위한 주사탐침현미경 방법이 결합된 장비의 구성과 측정 기술이 설명된다. 먼저, 강자성나노와이어 근처의 자기장이 공초점 현미경을 이용해 측정되었다. 나노와이어 주변에서 생성되는 자기장의 이미지와 특성은 마이크로 자성 전산모사와 비교되어 분석되었다. 그 다음으로, 수송 실험을 수행하지 않고도 그래핀 내 전류의 흐름을 시각화하기 위해 기존 NV 센터 측정과 주사탐침현미경이 결합해 측정되었다. 샘플 표면 위에서 자기장 지도가 이미지 되고, 이 이미지가 매핑되어 전류 분포가 재구성되었다. 이 전류 분포는 2D 전류 전산모사와 비교되었다. 마지막으로, 외부 자기장에서 변화하는 퍼멀로이 필름의 자기구역이 측정되었다. 정적 및 동적 자기장의 영향을 받는 상황에서 자기구역은 변화한다. 자기구역의 변화가 만들어 낸 자기장 이미지를 정적 및 동적 라비 진동 측정을 통해 확인하고, 자기장 상황에서의 전산모사와 비교 분석되었다.
본 연구에서는 주사탐침현미경과 결합한 NV 자력계를 사용하여 전류 흐름이 있는 소자와 자성 물질에서 자기장을 이미징한 결과를 보였다. 비침습적인 자기장 이미징을 통해 소자 내부 전류 흐름 및 자기구역의 외부 자기장에 대한 변화가 확인되었다. 이러한 자기장 측정 및 이미징 방법은 기초 응집 물질 물리학 연구뿐만 아니라 자성 소재, 스핀트로닉스 소자 응용 분야에 활용될 수 있다.
높은 공간 분해능과 높은 자기장 민감도를 가지는 자기장 측정 및 이미징 방법은 물리학, 재료 과학, 지질학 및 의학 등 다양한 분야에서 중요하다. 그러나 현재 방법은 자기장 감도가 낮거나 공간 해상도가 낮은 한계를 가지고 있다. 예를 들어 초전도 양자 간섭장치(SQUID) 방법은 자기장 감도가 높지만 공간 해상도가 낮은 (< μm) 반면, 자기력 현미경(MFM)은 공간 해상도가 높지만 자기장 감도가 낮다 (< mT). 또한, 이 방법들은 극저온 환경이 필요하거나 정량적인 측정이 제한적이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 주사탐침현미경과 다이아몬드 질소-빈자리 결함 중심(Diamond NV center, NV 센터)을 이용한 자기장 측정 방법을 결합한 새로운 이미징 방식이 제안되었다. 이 방법은 높은 공간 분해능(~10 nm)과 높은 자기장 민감도(~ nT)를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
이 논문에서 저자는 NV 센터의 기본적인 구조를 소개하고, 이 양자 상태를 이용한 측정 원리와 결과를 설명한다. 또한, 단일 NV 센터 측정을 위한 공초점 현미경과 자기장 이미징을 위한 주사탐침현미경 방법이 결합된 장비의 구성과 측정 기술이 설명된다. 먼저, 강자성 나노와이어 근처의 자기장이 공초점 현미경을 이용해 측정되었다. 나노와이어 주변에서 생성되는 자기장의 이미지와 특성은 마이크로 자성 전산모사와 비교되어 분석되었다. 그 다음으로, 수송 실험을 수행하지 않고도 그래핀 내 전류의 흐름을 시각화하기 위해 기존 NV 센터 측정과 주사탐침현미경이 결합해 측정되었다. 샘플 표면 위에서 자기장 지도가 이미지 되고, 이 이미지가 매핑되어 전류 분포가 재구성되었다. 이 전류 분포는 2D 전류 전산모사와 비교되었다. 마지막으로, 외부 자기장에서 변화하는 퍼멀로이 필름의 자기구역이 측정되었다. 정적 및 동적 자기장의 영향을 받는 상황에서 자기구역은 변화한다. 자기구역의 변화가 만들어 낸 자기장 이미지를 정적 및 동적 라비 진동 측정을 통해 확인하고, 자기장 상황에서의 전산모사와 비교 분석되었다.
본 연구에서는 주사탐침현미경과 결합한 NV 자력계를 사용하여 전류 흐름이 있는 소자와 자성 물질에서 자기장을 이미징한 결과를 보였다. 비침습적인 자기장 이미징을 통해 소자 내부 전류 흐름 및 자기구역의 외부 자기장에 대한 변화가 확인되었다. 이러한 자기장 측정 및 이미징 방법은 기초 응집 물질 물리학 연구뿐만 아니라 자성 소재, 스핀트로닉스 소자 응용 분야에 활용될 수 있다.
Magnetic field measurement and imaging is a crucial technology used in various fields, such as physics, material science, geology, and medicine. However, current methods face limitations, with either poor magnetic field sensitivity or low spatial resolution. For instance, the superconducting quantum...
Magnetic field measurement and imaging is a crucial technology used in various fields, such as physics, material science, geology, and medicine. However, current methods face limitations, with either poor magnetic field sensitivity or low spatial resolution. For instance, the superconducting quantum interference device (SQUID) method provides excellent magnetic field sensitivity (~ pT) but has low spatial resolution (< μm). In contrast, magnetic force microscopy (MFM) has better spatial resolution (~10 nm) but low magnetic field sensitivity (< mT). These methods also require cryogenic environments or have limited quantitative measurements. To address these limitations, a new approach has been proposed that combines a scanning probe microscope with a measurement method using nitrogen-vacancy (NV) centers. This approach offers the potential for high spatial resolution (~10 nm) and excellent magnetic field sensitivity (~ nT).
Here, this dissertation presents an overview of NV centers and describes the measurement principles and results. In addition, the experimental setup, which combines confocal microscopy for single NV center measurement and scanning probe microscopy for imaging the magnetic field using NV, and the measurement techniques are explained. At first, a magnetic field near a nanowire was measured using the confocal microscopy setup. The results of the imaging and characterization of the magnetic field generated around a magnetic nanowire are analyzed with micro magnet simulation. In the second case, scanning imaging techniques were used to visualize the flow of current in graphene without performing transport experiments. The magnetic field map was imaged above the sample and the current distribution was reconstructed from the magnetic field map and compared with the 2D current simulation. At third, the evolution of magnetic domains in permalloy was examined under external magnetic fields. The magnetic images driven in static and dynamic magnetic fields are imaged by static field and Rabi frequency measurements and compared with static and dynamic magnetic simulation.
The main results have demonstrated imaging magnetic fields on devices with current flow and on magnetic materials using a scanning NV magnetometer. The distribution of current flow in devices and the response of magnetic domains to external magnetic fields have been determined using non-destructive magnetic field imaging. This research on magnetic field measurement and imaging may serve the potential for spintronic device applications in addition to fundamental condensed matter physics research.
Magnetic field measurement and imaging is a crucial technology used in various fields, such as physics, material science, geology, and medicine. However, current methods face limitations, with either poor magnetic field sensitivity or low spatial resolution. For instance, the superconducting quantum interference device (SQUID) method provides excellent magnetic field sensitivity (~ pT) but has low spatial resolution (< μm). In contrast, magnetic force microscopy (MFM) has better spatial resolution (~10 nm) but low magnetic field sensitivity (< mT). These methods also require cryogenic environments or have limited quantitative measurements. To address these limitations, a new approach has been proposed that combines a scanning probe microscope with a measurement method using nitrogen-vacancy (NV) centers. This approach offers the potential for high spatial resolution (~10 nm) and excellent magnetic field sensitivity (~ nT).
Here, this dissertation presents an overview of NV centers and describes the measurement principles and results. In addition, the experimental setup, which combines confocal microscopy for single NV center measurement and scanning probe microscopy for imaging the magnetic field using NV, and the measurement techniques are explained. At first, a magnetic field near a nanowire was measured using the confocal microscopy setup. The results of the imaging and characterization of the magnetic field generated around a magnetic nanowire are analyzed with micro magnet simulation. In the second case, scanning imaging techniques were used to visualize the flow of current in graphene without performing transport experiments. The magnetic field map was imaged above the sample and the current distribution was reconstructed from the magnetic field map and compared with the 2D current simulation. At third, the evolution of magnetic domains in permalloy was examined under external magnetic fields. The magnetic images driven in static and dynamic magnetic fields are imaged by static field and Rabi frequency measurements and compared with static and dynamic magnetic simulation.
The main results have demonstrated imaging magnetic fields on devices with current flow and on magnetic materials using a scanning NV magnetometer. The distribution of current flow in devices and the response of magnetic domains to external magnetic fields have been determined using non-destructive magnetic field imaging. This research on magnetic field measurement and imaging may serve the potential for spintronic device applications in addition to fundamental condensed matter physics research.
주제어
#Nitrogen-Vacancy center Quantum sensing Magnetic imaging Scanning magnetometer
학위논문 정보
저자
Lee, Myeongwon
학위수여기관
고려대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
물리학과 고체물리학
지도교수
이동헌
발행연도
2023
총페이지
xxvi, 136 p
키워드
Nitrogen-Vacancy center Quantum sensing Magnetic imaging Scanning magnetometer
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