量子钻石显微镜 QDM从二维材料芯片检测到古地磁

众多关键科学难题，隐藏于无形的磁场之中。例如，二维材料中的磁畴分布情况如何？集成电路内部电流是否存在异常？在一块岩石中，哪些矿物真正记录了古代地磁场？量子钻石显微镜（Quantum Diamond Microscope, QDM）正将这些“隐形信号”转化为可定位、可成像、可定量分析的磁场图谱。

量子钻石显微镜（QDM）是一种利用钻石捕捉磁场图像的技术。

量子钻石显微镜（QDM）的工作原理基于一个含有NV色心的金刚石传感器。该传感器利用532纳米的激光进行NV色心的荧光初始化和读取，同时使用微波激发NV色心的能级共振跃迁。当磁性样本接近金刚石时，塞曼效应导致NV色心的能级发生偏移，进而影响光探测磁共振（ODMR）的共振频率。通过同步捕捉NV色心的荧光信号，QDM能够重建磁场的二维分布图。这种技术特别适合于那些磁信号微弱、空间分布复杂且需要非破坏性检测的样本。

图1展示了QDM的标准配置：包括激光器、微波源、透镜组、成像相机以及钻石NV色心传感器，它们协同工作以实现磁场的宽视场成像。

应用一：二维材料，将“磁性与电流”的曲线转换为图像

在二维材料领域，研究者经常遇到一个挑战：虽然宏观的电输运和磁化曲线能够显示“变化”的存在，但它们无法明确指出“变化”的具体位置。QDM技术的优势在于其能够将局部磁场、电流分布以及磁畴结构直观地展现出来。

在石墨烯的Dirac流体研究领域，科研人员利用NV磁成像技术对电流产生的杂散磁场进行测量，并推算出局部电流密度，从而能够直接区分常规的欧姆输运和具有抛物线特征的黏滞性“狄拉克”流。这项研究表明，量子设计显微镜（QDM）的功能不仅限于测量磁场，它还能助力于深入理解低维电子系统中的集体输运现象。

图2 展示了石墨烯内部电流产生的磁场和通过QDM/NV磁成像技术反演出的电流密度分布，这项技术能够直观地揭示局部电流的分布情况。

在探索二维分子铁磁体领域时，通过层间限制分子组装技术*构建了包括 Co(Cp)2-TaS2 在内的二维分子铁磁体系。利用国仪量子的 QDM 设备对这些样品进行了室温下的磁场成像，直观地揭示了磁场的正负分布及其磁畴结构，为确认“室温下的二维铁磁性”提供了具有空间分辨率的证据2。在《JACS》杂志中，我们得以“目睹”二维分子磁畴的真容。因此，在二维磁性、分子磁体、自旋电子学材料等领域，QDM 技术能够解答一个核心问题：磁性的起源究竟是什么？它可能源自材料的固有有序性、局部缺陷，或者是杂质的影响。

图3 展示了二维分子铁磁体的 QDM 成像效果：从光学图像到磁场分布，局部磁畴结构得以直观呈现。（测试设备：国仪量子QDM）

应用二：集成电路检测，无需拆卸即可监测电流流向

电流通过时会产生磁场。通过QDM技术测量芯片表面的矢量磁场，并利用毕奥萨伐尔定律进行反演，可以地得到电流密度的分布图。这种方法相较于仅依赖电学端口数据，能够直观地在图像中显示异常电流的位置。在集成电路三维成像的应用中，利用靠近表面的NV色心来探测多层集成电路中电流产生的磁场。科研人员在常温条件下完成了亚微米级别的电流密度重建，并能够识别不同层级中的电流分布，从而发现异常电流路径。这项技术为*封装技术、多层互连技术、漏电检测和失效分析提供了全新的无损检测方法。

图4展示了芯片电流成像的实例：一系列器件的矢量磁场图和反演电流密度图，这些图像有助于检测异常电流活动。

在工业检测领域，QDM 的主要优势并不在于取代现有的故障分析方法，而是作为一种非侵入性、无损检测、具有空间分辨率的辅助工具。具体操作流程是，首先利用磁成像技术来确定故障位置，然后通过电学、热学和显微镜分析等手段来深入探究故障原因。

集成电路内电流流向分析。（检测设备：国仪量子QDM）

应用三：地质学与古地磁学，探索微小矿物中的地球历史

地球科学研究中，磁性矿物蕴含着重要信息。然而，传统的岩石磁学和古地磁技术通常只能提供毫米至厘米级别的平均信号。相比之下，QDM技术能够将观察尺度细化至微米级别，使科学家能够识别出具体是哪一层或哪一粒矿物对磁信号产生了贡献。

在环境磁学和古环境研究领域，科学家们应用QDM技术对来自巴西的热带石笋样本ALHO6进行了研究，该样本的时间跨度约为174年，并且通过这项技术实现了从年到亚年级别的磁场成像。分析发现，磁性颗粒主要集中在10至100微米的细微层中。通过结合地层结构、氧碳同位素分析以及实验室的回场实验，这些磁性信号有助于识别沉积物输入的变化以及干旱事件的发生。

图5展示了石笋样本的QDM成像与时间序列的对比分析：通过QDM技术，能够将层理中的局部磁信号转化为具有高分辨率的古环境数据。

研究人员还使用量子钻石显微镜（QDM）对海底的块状硫化物样本进行了室温磁场成像，以识别局部的强磁性异常区域。通过结合扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析，他们能够确定磁性物质是源自还原环境下生成的磁性硫化物，还是由氧化风化作用产生的铁氧化物。这项研究揭示了磁性特征与环境氧化还原状态之间的联系。

QDM 的重要性在于将隐匿的磁场转化为可利用的数据。

从二维材料到芯片检测，再到地质和古地磁研究，QDM 所依托的核心技术是将微弱、局部、原本难以观察的磁场转变为可视觉化、可测量、可进一步分析的数据。一旦钻石被赋予量子传感的特性，它就不再仅是一种坚硬、透明、发光的材料，而是变成了能够洞察磁场的“量子视觉”。

1. Ku, M. J. H. and colleagues captured the viscous flow of Dirac fluid within graphene. Nature, 583, 537-541 (2020).

2. Liu, Y. et al. reported on the development of a series of two-dimensional room-temperature ferromagnets through inter-confined molecular assembly. The findings were published in the Journal of the American Chemical Society, volume 148, pages 13689-13697, in the year 2026.

3. Garsi, M. et al. Investigating the activity of integrated circuits in 3D through quantum defects in diamond. Phys. Rev. Appl. 21, 014055 (2024).

4. Fu, R. R. 等研究者利用量子金刚石显微镜（QDM）进行高分辨率环境磁学研究：应用于热带洞穴沉积物。《地球科学前沿》8, 604505 (2021)。

5. Wang, S. et al. Research on the Magnetic Characteristics of Seafloor Sulfide Deposits Related to Redox Processes. J. Geophys. Res. Solid Earth 129, e2024JB029072 (2024).

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应用三：地质与古地磁，从微小矿物中读取地球记忆

对地球科学而言，许多关键信息都藏在磁性矿物里。问题在于，传统岩石磁学或古地磁方法往往给出的是毫米到厘米尺度的整体平均信号，而 QDM 能把视角推进到微米级，让研究者看到“哪一层、哪一颗粒”真正贡献了磁记录。

在环境磁学与古环境研究中，研究人员将 QDM 用于巴西热带石笋样品 ALHO6，覆盖约 174 年时间窗口，并实现年到亚年分辨率的磁场成像⁴。结果显示，磁性颗粒主要富集在 10~100 μm 的细薄层中；结合层理、氧碳同位素和回场实验，这些磁信号可用于识别碎屑输入变化与干旱事件。

图5 石笋样品的 QDM 成像与时间序列对比：QDM 可将层理中的局域磁信号转换为高分辨率古环境信息。

此外，海洋二所研究人员利用QDM对海底块状硫化物样品进行室温磁场成像，识别局域强磁异常区域，再结合 SEM/EDX 分析，判断磁性来源是还原环境形成的磁性硫化物，还是氧化风化产生的铁氧化物，从而揭示磁性特征与氧化还原状态之间的关系⁵。

QDM 的价值，是把隐藏磁场变成可用信息

从二维材料到芯片检测，再到地质与古地磁，QDM 连接的是同一个底层能力：把微弱、局域、原本不可见的磁场，转化为可视化、可定量、可进一步反演的数据。当一块钻石被赋予量子传感能力，它就不再只是坚硬、透明、闪耀的材料，而成为一只能够看见磁场的“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. Inter-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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