SNVM：看見超導量子渦旋

超導渦旋（Vortex），既是研究超導微觀配對與拓撲物態 的核心探針，也是實現高載流、低損耗超導量子器件的關鍵基礎。一塊超導體能承載多大的電流，有時取決于幾個微小的渦旋能否被“釘住"。外磁場進入第二類超導體 后，會形成一個個被環形超電流包圍的磁通渦旋。它們一旦移動，就可能帶來電壓和能量損耗。要弄清超導體為何在某處失去無損載流能力，我們得先看清：渦旋藏在哪里，又是怎樣動起來的。

怎樣看見超導渦旋

渦旋中心附近的超導受到抑制，周圍有環繞的超電流。對于普通的單量子渦旋，其特征磁通尺度由磁通量子 給出：

Φ₀ = h/(2e) ≈ 2.07×10^-15 Wb

這里h是普朗克常數，e是元電荷，Wb是磁通的單位。這個式子說明，渦旋對應一個非常小、卻有明確物理尺度的磁通單位。下表是常見超導渦旋成像方法的優勢與局限：

掃描NV探針顯微鏡（SNVM ）的優勢是同時兼顧高空間分辨率與靈敏度，且成像具有定量無損特點。

01  SNVM怎樣讀出磁場

NV是金剛石中的氮—空位缺陷。把它放在探針針尖，用光和微波讀取自旋共振頻率，就能測出沿NV軸方向的磁場；逐點掃描后得到渦旋磁圖。在軸向磁場主導、應變等影響較小時：

f_± ≈ D ± γB_NV，γ ≈ 28 GHz/T

D為零場分裂 ，B_NV為磁場沿NV軸的投影。軸向場每變化1 μT，共振頻率約移動28 kHz。結合超導模型分析磁圖，可提取渦旋位置、屏蔽電流和穿透深度。

原理圖 左：長方形表示金剛石探針，底端附近的傾斜箭頭表示NV自旋方向。綠光從上方入射，紅色熒光由上方收集，微波用于操控自旋。

中：掃描微波頻率時，熒光在共振處出現下降；磁場沿NV軸的分量改變共振頻率。右：逐點重復測量，得到磁場投影圖，這是利用國儀量子SNVM對YBCO中磁渦旋進行的定量成像。

NV色心對渦旋幾乎無磁擾動，但實際分辨率仍受探針高度和噪聲限制，光與微波也可能加熱樣品。

 研究進展與合作成果

02  2026年復旦與國儀量子合作推進超高真空低溫渦旋成像

已有低溫掃描NV研究能夠觀察超導渦旋，但超高真空兼容以及樣品、探針的原位更換在此類系統中仍較少具備，限制了對潔凈表面和空氣敏感量子材料的測量。復旦大學高春雷團隊與國儀量子的合作研究報道了一套超高真空兼容、無液氦消耗的掃描NV磁測平臺，將低溫掃描、真空內三軸矢量超導磁體和原位轉運結合起來[1]。

論文在樣品2.3 K、探針4 K條件下，以固定頻率NV熒光圖分辨塊體NbSe₂中四個獨立的渦旋；隨后對選定區域掃描，得到其中一個渦旋沿NV軸方向的定量磁場圖。這驗證了樣品與探針同時處于低溫時的穩定磁成像能力。

圖1 合作平臺在塊體NbSe2上的渦旋成像：左圖可見四個渦旋，右圖為選定單渦旋的定量磁場分布（據文獻[1]圖11）。

平臺本底真空達到2×10^-10 Torr，樣品溫度可低至約2 K；樣品與探針可在不破壞超高真空的情況下原位更換，并可分別調節溫度。與需要先在空氣中裝樣、再降溫的常規低溫掃描方案相比，超高真空與原位換樣把“潔凈表面"真正帶到低溫磁成像環節：新鮮制備或MBE生長的樣品無需封裝即可直接進入測量位置，能夠盡量避免氧化、吸附和轉移殘留對表面磁性的改寫。這對MnBi₂Te₄、MnSb₂Te₄等空氣敏感磁性拓撲材料，以及未封裝的二維磁體和超導異質結構尤其重要。

更進一步，樣品在2–300 K范圍內連續變溫、樣品與探針獨立控溫、三軸矢量磁場和脈沖NV測量可以在同一潔凈表面上連續追蹤溫度與磁場驅動的相變，而不必每更換一個樣品就破壞真空并重新建立表面條件。未來可用它研究渦旋成核與釘扎如何受到原子級缺陷、界面和表面吸附的影響，并測量相變附近的自旋漲落、磁噪聲譜和臨界動力學。若進一步引入NV電場、應變與溫度傳感，這套平臺還可拓展到空氣敏感材料的表面電荷不均勻、納米尺度熱輸運和局域應變成像。

03  2025年看見二維超導體中的渦旋玻璃與低溫磁噪聲

二維超導體中的渦旋更容易受到熱漲落、無序和有限尺寸的影響。斯圖加特大學J?rg Wrachtrup團隊等利用單NV掃描量子顯微鏡，在少層2H-NbSe₂中直接觀察到畸變的渦旋玻璃，并比較了不同厚度樣品的渦旋排列。5.1 nm薄樣品中的渦旋相關性較弱，約11.6 nm的較厚樣品則更接近六角Abrikosov晶格[2]。

研究者把5.1 nm NbSe₂從6.3 K冷卻到2 K，并把冷卻時間從1 min改變到10 h。快速冷卻后，渦旋磁場對比和空間相關性較弱；慢速冷卻則得到更強的磁響應和更清晰的局域有序。結果表明，二維渦旋玻璃的最終構型不僅由外場決定，還記錄了熱漲落與無序釘扎競爭形成的冷卻歷史。

圖2 二維NbSe₂中的渦旋靜態結構與動態磁噪聲。

左：5.1 nm樣品快速冷卻（上）與慢速冷卻（下）后的磁場圖及自相關；慢速冷卻后渦旋對比和局域有序性增強。

右：Hahn回波測量顯示，NV探針靠近樣品時相干時間縮短，并在低溫下出現更強的樣品誘導退相干（據文獻[2]圖3、圖4）。

除靜態成像外，團隊還用NV自旋的Hahn回波測量渦旋玻璃中的動態磁噪聲。探針接觸樣品時的相干時間明顯短于離開樣品1 μm以上時；樣品引起的退相干在降溫時反而增強。論文將這一反常溫度依賴歸因于少層超導體中渦旋運動與局域磁場分布的共同作用，并用有限溫度下的渦旋Langevin模型再現實驗趨勢。

04  2024年看見零電阻背后的不同狀態

超導器件的電阻相同，內部電流就一定相同嗎？哈佛大學Shaowen Chen與Amir Yacoby團隊研究NbN/Au/NbN Josephson結時，用掃描NV測量磁場并重構電流分布，發現零電阻區域內也能存在不同的Josephson渦旋態，且可以通過電流偏置切換[3]。

論文在4 K下研究渦旋態切換，通過不同直流偏置選擇0-JV和1-JV態，即結中無Josephson渦旋和有一個Josephson渦旋的狀態。研究者采用脈沖式交流NV磁測，讓Hahn回波微波序列與結的電流調制同步。激光先初始化NV自旋，再由微波脈沖讓自旋積累兩種電流條件下的磁場差，最后通過熒光讀出。圖b、d、e在直流偏置上疊加約0.8 μA的小交流電流，測量電流微擾引起的差分磁響應。圖f則直接比較0-JV與1-JV兩個狀態，突出增加一個渦旋對應的磁場和環流。Josephson渦旋位于弱連接中，與普通薄膜渦旋不同。

圖3 用電流調控并辨認Josephson渦旋態（4 K）。

a：電輸運測得的微分電阻，虛線框對應b的范圍。b：固定位置的NV測得的小交流電流差分磁響應；圓圈為輸運確定的臨界電流。臨界電流以內仍出現響應邊界，提示零電阻區內存在不同狀態。

c：時變Ginzburg–Landau模擬的兩態自由能差。d、e：不同偏置下的0-JV與1-JV空間圖。f：直接對兩種狀態作差，顯出單個渦旋的磁場與環流輪廓

05  2016年定量看見單個渦旋

2016年，巴塞爾大學Patrick Maletinsky團隊在YBCO薄膜中測量Pearl渦旋的雜散場。探針靠近樣品掃描時，近場輪廓已明顯偏離常用的簡單磁單極近似，而與Pearl模型相符。由此，研究者不僅找到了渦旋，還能提取局域London穿透深度[4]。

圖4 不同探針高度下的單渦旋磁場圖。探針離樣品越遠，測得的近場細節通常越少。

這里需要認識的材料參數是穿透深度λ。可以把它理解為超導體屏蔽磁場時的一個特征長度。在簡單London描述下，λ越大，通常對應越小的超流剛度。對厚度d遠小于λ的薄膜，常用的Pearl長度為：

Λ = 2λ²/d，d ? λ

薄膜越薄，磁場就可能在更大的橫向范圍內展開。因此，渦旋磁斑的寬度不能直接當作渦旋核心大小；核心尺度通常用相干長度ξ描述，探針高度又會進一步“抹寬"圖像。

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SNVM對超導Vortex的研究方興未艾。未來隨著技術的成熟與普及，有望在以下研究實現突破：

局域超導參數。對同一渦旋改變溫度和探針高度，測量磁場輪廓，有望區分穿透深度變化與幾何效應，進一步研究缺陷附近的屏蔽能力。

釘扎與運動。結合可控電流，記錄渦旋何時移動、是否回跳。校準局部電流和溫度后，可由位移與躍遷閾值約束釘扎強度；再固定探針讀出局部磁場，研究較快的漲落。

渦旋邊界與邁斯納效應相變處磁噪聲研究。利用國儀量子SNVM儀器脈沖譜學測量與成像功能，可以研究材料相變處局域自旋漲落。

參考文獻

[1] Jiao S et al. Development of an ultrahigh-vacuum-compatible cryogen-free scanning nitrogen-vacancy magnetometer. Review of Scientific Instruments 97, 103701(2026).

[2] Jayaram S, Lenger M, Zhao D, et al. Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope. Physical Review Letters 135, 126001 (2025). 

[3] Chen S et al. Current induced hidden states in Josephson junctions. Nature Communications 15, 8059 (2024). 

[4] Thiel L et al. Quantitative nanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer. Nature Nanotechnology 11, 677–681 (2016).