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探索地球往事!量子精密测量技术在古地磁学中的应用

更新时间:2023-04-14      点击次数:1220

古地磁学是一门介于地质学、物理学、地球物理学之间的交叉学科。古地磁学一般通过测定岩石或古文物的天然剩余磁化强度,研究地质时期地球磁场方向、强度、行星发动及其演化规律。

岩石是天然矿物的结合体,其剩余磁性一般来自于岩石中的铁磁矿物,包含原生剩磁和次生剩磁。所谓原生剩磁指的是岩石形成时记录的地磁场信息。与之相对的,在岩石形成后得到的剩余磁性叫做次生剩磁,如岩石在外磁场的作用下(如自然雷电击中、流水风沙侵蚀)获得的剩磁。由于古地磁学研究的是岩石形成时地磁场的特征,故必须以准确地测量原生剩磁为先决条件。

目前,岩石磁性是通过测量毫米到厘米大小的大块样品的净磁矩来分析的。目前常见的科学分析仪器有超导岩石仪、振动样品磁力仪等。然而,在亚微米尺度上,地质样品通常在矿物学和质地上都是不均匀的,只有小部分铁磁颗粒携带的剩余磁化。因此,在这种情况下表征岩石磁性需要一种能够在纳米空间尺度上成像磁场并具有高灵敏度的技术。例如,正广泛应用的扫描超导显微镜(SQUID)、磁阻显微镜、霍尔显微镜等。

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2011年,科研工作者们证实了金刚石中的氮-空位色心(简称NV色心)可以用于亚微米尺度上的磁成像。2017年,哈佛大学R.L.Walsworth等人利用自搭的基于NV色心的量子钻石显微镜,实现了岩石磁场的成像,其指标空间分辨率为5 um、视场范围为4 mm。通过减少金刚石与样品之间的距离(≤10 um),实现磁矩灵敏度10-16 A·m2,这一指标可媲美乃至超越SQUID、磁阻显微镜、霍尔显微镜等主流设备。此外,量子钻石显微镜还具有光学成像功能和成像速度快的优势。    

可见,在地质、磁陨石的探测分析中,量子钻石显微镜展现出了巨大的应用潜力,为弱磁成像开辟了新的道路。随着人类对月球、火星等深空领域的不断探索,量子钻石显微镜也将应用于月岩、火星岩石的表征分析中。

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量子钻石显微镜的大致构造如上图(a)所示。整个探头部分置于三维的亥姆霍兹线圈中,其作用是施加外磁场使得金刚石内NV色心能级退简并。实验过程中金刚石紧贴于岩石样品表面,如上图(b)所示。下面简述量子钻石显微镜的工作原理。

首先利用激光聚焦实现金刚石内NV色心量子态的初始化。然后扫描输入微波的频率,并通过辐射天线作用到NV色心上。当微波频率与NV色心能级共振时,NV色心的ms=±1态与ms=0态布居数反转,荧光强度下降。在成像区域内随微波频率变化的荧光信号经物镜收集后由收集光路成像到sCMOS相机上。

在实验中通过sCMOS相机设定成像区域为M×N个像素点,每次进行图片采集相当于M×N个像素点同时进行荧光信号探测。在所有频点数据采集完成后,即得到完整的光探测磁共振谱(简称ODMR谱),通过相应的数据运算把每个像素点的磁场强度解算出来。最后把每个像素点的位置与磁场强度对应起来,用颜色区分各个像素点的磁场强度,实现二维磁场成像。

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2022年,国仪量子自主研制的“量子钻石显微镜"面向全球发布,这是一款基于金刚石NV色心技术的、先进的商用量子精密测量仪器,具有高空间分辨率、大视野、成像速度快等优势,有望在古地磁领域产生新的科学增长点。同时,在半导体、材料科学、细胞磁学、体外诊断等多个领域也具有广阔的应用前景。