走査型SQUID顕微鏡

走査型SQUID顕微鏡の解説

走査型SQUID顕微鏡（Scanning SQUID Microscope）は、超伝導量子干渉素子（SQUID）を探針として用いる走査型プローブ顕微鏡の一種であり、非常に高い感度で磁気測定を行うことができます。この顕微鏡は、試料の表面から発生する磁束を捕捉し、その強度を記録することで、詳細な磁気マッピングを実現します。

概要と性能の向上

開発初期の走査型SQUID顕微鏡では、SQUIDの素子サイズが数mmほどあり、このため磁気を受け取る面積が大きく、結果として空間分解能が低いという課題がありました。しかし、SQUIDリングの微細化を進めることで、空間分解能の向上が可能になりました。SQUIDリングの直径を小さくすることで高い解像度を実現することが期待されていますが、リングのインダクタンスと浮遊インダクタンスの比が小さくなるため、信号対雑音比が低下するというトレードオフもあるのが現状です。現在では、直径10μmのSQUIDリングが多く使用されており、小型化が進むことで将来的には直径200nmのSQUIDリングを使用することができれば、空間分解能は50nm程度まで改善される可能性があります。

STM-SQUID磁気顕微鏡

走査型トンネル顕微鏡（STM）とSQUIDを組み合わせたSTM-SQUID磁気顕微鏡では、試料の形状に応じた高度な動作が可能です。具体的には、Z方向にも試料を動かすことで、探針を試料に非常に近づけることができ、極めて局所的な磁気測定を実現します。この手法により、100nm程度の分解能で磁気画像を取得でき、特に磁性体に対してはサブμm以下の空間分解能の磁気像を得ることが可能になっています。ただし、絶縁体の観察はできず、真空環境を必要とします。

AFM-SQUID磁気顕微鏡

原子間力顕微鏡（AFM）とSQUIDを組み合わせたAFM-SQUIDでは、力を測定することで表面の磁気像を取得することができます。この手法は、STM-SQUIDでは測定不能だった絶縁体の表面形状も観察できるため、幅広い応用が期待されています。

レーザーSQUID磁気顕微鏡

レーザーSQUID顕微鏡は、光を照射することで電流を誘起する半導体材料に適用されます。この技術では、レーザー光によって誘発された電流による磁場をSQUIDで測定します。レーザー光の収束した径が事実上の分解能を決定するため、従来のSQUID顕微鏡に比べて高い分解能を実現します。また、光源を1kHzで点滅させ、出力を同期して信号対雑音比を底上げする工夫がされています。光起電力を発生する材料であれば、特別な処理なしに室温で大気中で観察することも可能です。

まとめ

走査型SQUID顕微鏡は、その高感度な測定能力により、磁気測定分野において非常に重要な位置を占めています。今後の技術革新により、さらなる空間分解能の向上が期待されており、様々な材料科学の研究において革新をもたらすことが予想されます。

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