超高真空・極低温下で動作する走査ダイヤモンドNV中心プローブの開発

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これまでに開発した原子間力顕微鏡(AFM)機構とFPGA統合コントローラ及びLabVIEWによる制御プログラム、超高真空・極低温下で動作可能な搬送型の走査ダイヤモンドNV(窒素―空孔複合体)中心プローブとマイクロ波印加が可能な搬送型試料ホルダー機構を用いて、先ず、室温・大気中にて磁気構造イメージングの分解能向上と評価に取り組んだ。NV中心を含有する、幅約4 μm、長さ約12 μmの楔形状のダイヤモンド粒子を水晶振動子型のAFMプローブとして動作するタングステン線の先端に取り付けて、走査ダイヤモンドNV中心プローブに応用した。この楔形状のダイヤモンド粒子は元よりNV中心を含有していること、先端部の直径が500 nm 程度であることから、NV中心プローブの制作工程を大幅に簡略化した。計測時のダイヤモンドプローブ先端のNV中心の熱ドリフトの影響を補正する、ガルバノミラー機構によるレーザー位置トラッキング制御は、補正アルゴリズムを改修（微分値抽出）することで、補正の確実性を向上した。観察する試料にはガリウムヒ素基板上に作製したコバルト鉄（CoFe）薄膜のマイクロメートルスケールの島構造（膜厚50及び140 nm）を静磁場（100 mT）中に置き、面内方向に磁化させて用いた。AFM制御によりトポグラフ像を取得しながらNV中心からの蛍光観測を、光学的磁気共鳴（ODMR）の起こる特定周波数のマイクロ波下とODMRに寄与しない周波数のマイクロ波下の2点で行い、正規化した信号をマッピングすることで、従来のマイクロ波周波数を掃引する方法よりも高速に、磁気構造の空間分布に依存した漏洩磁場による磁気イメージングが可能になった。