量子鉆石顯微鏡 QDM：從二維材料、芯片檢測到古地磁

很多關(guān)鍵科學(xué)問題，是藏在看不見的磁場中。二維材料里的磁疇如何分布？芯片內(nèi)部的電流是否異常？一片巖石中，哪些礦物真正記錄了遠古地磁？量子鉆石顯微鏡（Quantum Diamond Microscope, QDM）正在把這些“不可見信號"，變成可定位、可成像、可定量分析的磁場圖像。

QDM 是什么：用鉆石把磁場“拍出來"

QDM 的核心是一片含有近表面 NV 色心的金剛石傳感器，532 nm 激光用于初始化和讀出 NV 熒光，微波用于驅(qū)動NV色心能級共振躍遷；當(dāng)磁性樣品靠近金剛石時，由于塞曼效應(yīng)，NV能級發(fā)生移動，ODMR （光探測磁共振）共振頻率隨之變化。相機同步記錄整個視野內(nèi)的 NV 熒光信號，就可以重建二維磁場分布。QDM尤其適合那些磁信號弱、空間分布不均勻、又需要無損觀察的樣品。

圖1 QDM 典型裝置示意：激光、微波、物鏡、相機與金剛石 NV 傳感芯片共同完成寬場磁成像。

應(yīng)用一：二維材料，把“磁性與電流"從曲線變成圖像

二維材料研究常常面臨一個難題：宏觀電輸運或磁化曲線可以告訴我們“有變化"，但很難直接告訴我們“變化發(fā)生在哪里"。QDM 的價值正在于把局域磁場、電流分布和磁疇結(jié)構(gòu)可視化。

在石墨烯 Dirac 流體研究中，研究者通過 NV 磁成像測量電流產(chǎn)生的雜散磁場，并反演局域電流密度，直接區(qū)分普通歐姆輸運與具有拋物線特征的黏滯“狄拉克"流¹。這說明 QDM 不只是“測磁場"，還可以幫助理解低維電子體系中的集體輸運行為。

圖2 石墨烯中電流產(chǎn)生的磁場與反演電流密度：QDM/NV 磁成像可直接觀察局域電流分布。

在二維室溫分子鐵磁體研究中，層間限域分子組裝策略構(gòu)建了 Co(Cp)₂-TaS₂ 等二維分子鐵磁體系。國儀量子 QDM 對樣品進行了室溫磁場成像，直接觀察到正負雜散磁場分布與磁疇結(jié)構(gòu)，為“室溫二維鐵磁性"的判斷提供了空間分辨證據(jù)²。《JACS》室溫下，我們"看見"了二維分子磁疇因此，在二維磁性、分子磁體、自旋電子學(xué)材料等方向，QDM 可以回答一個關(guān)鍵問題：磁性到底來自哪里？是本征有序、局部缺陷，還是雜質(zhì)貢獻。

圖3 二維分子鐵磁體的 QDM 成像：從光學(xué)形貌到磁場分布，局域磁疇被直接可視化。（測試儀器：國儀量子QDM）

應(yīng)用二：芯片檢測，不拆芯片也能追蹤電流路徑

電流流動會產(chǎn)生奧斯特磁場。QDM 通過測量芯片表面附近的矢量磁場，再結(jié)合畢奧薩伐爾定律反演，就可以獲得電流密度分布。相比只看電學(xué)端口數(shù)據(jù)，這種方法可以把“異常電流在哪里"直接呈現(xiàn)在圖像中。在集成電路活動三維成像案例中，近表面 NV 色心被用于探測多層 IC 內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場。研究者在室溫下實現(xiàn)了亞微米尺度的電流密度重建，并區(qū)分不同層中的電流貢獻，進一步發(fā)現(xiàn)異常電流路徑³。這為先進封裝、多層互連、漏電與失效分析提供了新的無損檢測思路。

圖4 芯片電流成像案例：不同器件的矢量磁場圖與反演電流密度圖，可用于識別異常電流行為。

對產(chǎn)業(yè)檢測而言，QDM 的潛在價值不是替代所有失效分析手段，而是提供一種非接觸、無損、空間分辨的補充工具：先用磁成像定位，再結(jié)合電學(xué)、熱學(xué)和顯微分析進一步確認失效機制。 

芯片中電流路徑分布。（測試儀器：國儀量子QDM）

應(yīng)用三：地質(zhì)與古地磁，從微小礦物中讀取地球記憶

對地球科學(xué)而言，許多關(guān)鍵信息都藏在磁性礦物里。問題在于，傳統(tǒng)巖石磁學(xué)或古地磁方法往往給出的是毫米到厘米尺度的整體平均信號，而 QDM 能把視角推進到微米級，讓研究者看到“哪一層、哪一顆粒"真正貢獻了磁記錄。

在環(huán)境磁學(xué)與古環(huán)境研究中，研究人員將 QDM 用于巴西熱帶石筍樣品 ALHO6，覆蓋約 174 年時間窗口，并實現(xiàn)年到亞年分辨率的磁場成像⁴。結(jié)果顯示，磁性顆粒主要富集在 10~100 μm 的細薄層中；結(jié)合層理、氧碳同位素和回場實驗，這些磁信號可用于識別碎屑輸入變化與干旱事件。

圖5 石筍樣品的 QDM 成像與時間序列對比：QDM 可將層理中的局域磁信號轉(zhuǎn)換為高分辨率古環(huán)境信息。

此外，海洋二所研究人員利用QDM對海底塊狀硫化物樣品進行室溫磁場成像，識別局域強磁異常區(qū)域，再結(jié)合 SEM/EDX 分析，判斷磁性來源是還原環(huán)境形成的磁性硫化物，還是氧化風(fēng)化產(chǎn)生的鐵氧化物，從而揭示磁性特征與氧化還原狀態(tài)之間的關(guān)系⁵。

QDM 的價值，是把隱藏磁場變成可用信息

從二維材料到芯片檢測，再到地質(zhì)與古地磁，QDM 連接的是同一個底層能力：把微弱、局域、原本不可見的磁場，轉(zhuǎn)化為可視化、可定量、可進一步反演的數(shù)據(jù)。當(dāng)一塊鉆石被賦予量子傳感能力，它就不再只是堅硬、透明、閃耀的材料，而成為一只能夠看見磁場的“量子之眼"。

1. Ku, M. J. H. et al. Imaging viscous flow of the Dirac fluid in graphene. Nature 583, 537–541 (2020).

2. Liu, Y. et al. Interlayer-Confined Molecular Assembly Enables a Family of Two-Dimensional Room-Temperature Ferromagnets. J. Am. Chem. Soc. 148, 13689–13697 (2026).

3. Garsi, M. et al. Three-dimensional imaging of integrated-circuit activity using quantum defects in diamond. Phys. Rev. Appl. 21, 014055 (2024).

4. Fu, R. R. et al. High-Resolution Environmental Magnetism Using the Quantum Diamond Microscope (QDM): Application to a Tropical Speleothem. Front. Earth Sci. 8, 604505 (2021).

5. Wang, S. et al. Redox Sensitive Mineral Magnetic Signatures of Seafloor Massive Sulfide Deposits. J. Geophys. Res. Solid Earth 129, e2024JB029072 (2024). 

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