在磁性材料研究中，磁疇的動(dòng)態(tài)行為發(fā)生在皮秒至納秒量級(jí)，直接捕捉這些過程是開發(fā)新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)間接測(cè)量方法無法提供直觀圖像，使得研究長(zhǎng)期依賴于推測(cè)。如今，這一局面正在改變?；诔齑殴獬上窦夹g(shù)，研究人員首次能夠直接、清晰地觀測(cè)材料內(nèi)部的納秒級(jí)磁動(dòng)力學(xué)，將研究從“推斷”帶入“眼見為實(shí)”的新階段。

核心挑戰(zhàn)：為何直接觀測(cè)如此困難?

然而，要真正“看見”這一過程，必須克服兩大核心挑戰(zhàn)：

時(shí)間分辨率：必須能定格納秒甚至更短的瞬態(tài)過程。

探測(cè)靈敏度：必須能識(shí)別出極其微弱的磁光信號(hào)，這些信號(hào)極易被噪聲淹沒。

任何成像系統(tǒng)都必須同時(shí)滿足這兩點(diǎn)，才能將不可見的磁疇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為可供分析的清晰圖像。

技術(shù)原理：超快磁光成像如何工作?

超快磁光成像如何工作?該技術(shù)的基石是磁光效應(yīng)(克爾效應(yīng)或法拉第效應(yīng))。當(dāng)線偏振光照射磁性樣品時(shí)，其反射光或透射光的偏振面會(huì)隨磁化狀態(tài)發(fā)生微小旋轉(zhuǎn)。成像系統(tǒng)通過探測(cè)這種旋轉(zhuǎn)，將磁疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維襯度圖像。

關(guān)鍵突破：qCMOS將微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為清晰圖像

將原理轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)圖像的關(guān)鍵，在于克服探測(cè)靈敏度的極限。在超快磁光成像技術(shù)中，相機(jī)的性能直接決定了成像質(zhì)量的最終上限。面對(duì)極其微弱、常被噪聲淹沒的磁光信號(hào)，ORCA-Quest qCMOS相機(jī)的價(jià)值在于其顛覆性的低噪聲與高靈敏度，成功突破了信噪比的極限。

圖1 濱松各款相機(jī)信噪比對(duì)比，紅線為qCMOS相機(jī)

其創(chuàng)新的ORCA-Quest qCMOS相機(jī)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了趨近于零的讀出噪聲和極高的量子效率。這意味著，即使在微秒級(jí)的單次曝光內(nèi)，它也能清晰記錄下由納秒級(jí)磁動(dòng)力學(xué)過程所引發(fā)的微弱襯度變化，為研究提供高質(zhì)量、高信噪比的原始圖像數(shù)據(jù)。

圖2 濱松各款相機(jī)讀出噪聲對(duì)比，紅線為qCMOS相機(jī)

圖3 qCMOS讀出噪聲的典型累積像素?cái)?shù)比例

需要明確的是，在超快成像系統(tǒng)中，納秒級(jí)的時(shí)間分辨率由精密的同步與光學(xué)延遲系統(tǒng)賦予;而ORCA-Quest qCMOS相機(jī)的卓越靈敏度，則是將系統(tǒng)的時(shí)間解析能力真實(shí)、清晰地呈現(xiàn)為可供科學(xué)分析圖像的關(guān)鍵。正是其捕獲微弱信號(hào)的卓越能力，讓直接“看見”納秒級(jí)的磁疇動(dòng)態(tài)從目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

來自研究人員的實(shí)踐印證：

“在超快磁光成像研究領(lǐng)域，我們?cè)毡槭褂肅CD相機(jī)。但ORCA-Quest qCMOS相機(jī)以其無可匹敵的低讀出噪聲，成為了一個(gè)改變游戲規(guī)則的存在。此外，當(dāng)我們?cè)谄渌麑?shí)驗(yàn)(如光學(xué)二次諧波成像)中需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘的曝光時(shí)，ORCA-Quest qCMOS相機(jī)憑借其高量子效率、大像素?cái)?shù)量及板上像素合并功能，依然能提供高質(zhì)量圖像。”

圖4 研究試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的qCMOS相機(jī)

總結(jié)而言，ORCA-Quest qCMOS相機(jī)技術(shù)的突破性在于，它確保了在追求極限時(shí)間分辨率的同時(shí)，無需以犧牲圖像質(zhì)量為代價(jià)，為科研人員提供了可靠、直觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

技術(shù)應(yīng)用：在三大前沿領(lǐng)域展現(xiàn)巨大價(jià)值

憑借上述卓越的探測(cè)性能，該技術(shù)方案已成功將“直接觀測(cè)”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并在以下三大前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大價(jià)值，為理解基礎(chǔ)物理和開發(fā)新型器件提供了前所未有的洞察。

1. 拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)解析

在斯格明子等拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的研究中，研究人員得以直接觀測(cè)到這些納米尺度“磁漩渦”的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)及湮滅的全過程。ORCA-Quest qCMOS相機(jī)提供的高信噪比圖像，如同清晰的影像資料，為驗(yàn)證理論模型、進(jìn)而操控斯格明子以實(shí)現(xiàn)新型計(jì)算架構(gòu)，提供了最直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

2. 磁疇壁動(dòng)力學(xué)的清晰揭示

磁疇壁如何運(yùn)動(dòng)，決定了磁存儲(chǔ)器性能極限。該技術(shù)能夠清晰揭示疇壁在外場(chǎng)或電流驅(qū)動(dòng)下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)圖像，幫助科學(xué)家精確區(qū)分其滑移、蠕動(dòng)等不同運(yùn)動(dòng)機(jī)制。高靈敏度成像確保了即便在快速變化過程中，疇壁的細(xì)微形態(tài)和位置也能被精準(zhǔn)捕捉，為優(yōu)化器件性能指明了方向。

3. 超快磁化反轉(zhuǎn)過程的可視化

在皮秒激光脈沖激發(fā)下，材料的磁化狀態(tài)會(huì)發(fā)生超快反轉(zhuǎn)。通過系統(tǒng)的時(shí)間延遲掃描與ORCA-Quest qCMOS相機(jī)對(duì)每一時(shí)刻的高質(zhì)量圖像捕捉，研究人員能夠像剪輯電影一樣，重構(gòu)出磁化從有序到無序、再到新有序建立的完整動(dòng)態(tài)序列。這部“微觀宇宙電影”極大地深化了對(duì)超快磁動(dòng)力學(xué)內(nèi)在物理機(jī)制的理解。

圖5 光控磁區(qū)示例：圖中亮色與暗色區(qū)域分別代表垂直磁化分量的相反方向。在兩幅圖像中，受激區(qū)域的中心均呈現(xiàn)完全退磁狀態(tài)并形成多疇結(jié)構(gòu)，而其外緣則發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)，且可通過二次激光脈沖實(shí)現(xiàn)可逆切換。這一特性在激光脈沖重疊區(qū)域尤為明顯，呈現(xiàn)出交替變化的亮區(qū)與暗區(qū)。

拍攝條件: ORCA-Quest qCMOS camera C15550-20UP

幀速模式: Ultraquiet scan;

讀出模式: Area; Binning 4×4, Trigger: Global reset.

曝光時(shí)間: (左) 33.94 μs = single 100 fs probe pulse, (右) 100 ms = 100 probe pulses.

這項(xiàng)技術(shù)的意義，遠(yuǎn)不止于提升觀測(cè)能力。它標(biāo)志著材料研究從“推斷”走向“眼見為實(shí)”的新階段。當(dāng)納秒間的磁疇舞動(dòng)變得清晰可見，我們便擁有了優(yōu)化現(xiàn)有材料、設(shè)計(jì)全新功能的鑰匙，為未來信息技術(shù)的發(fā)展，照亮了一條全新的路徑。

圖6 ORCA-Quest2 qCMOS相機(jī)相關(guān)參數(shù)展示

審核編輯 黃宇