在磁性材料研究中，磁疇的動態(tài)行為發(fā)生在皮秒至納秒量級，直接捕捉這些過程是開發(fā)新型數(shù)據(jù)存儲器的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)間接測量方法無法提供直觀圖像，使得研究長期依賴于推測。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、清晰地觀測材料內(nèi)部的納秒級磁動力學(xué)，將研究從“推斷”帶入“眼見為實”的新階段。

核心挑戰(zhàn)：為何直接觀測如此困難?

然而，要真正“看見”這一過程，必須克服兩大核心挑戰(zhàn)：

時間分辨率：必須能定格納秒甚至更短的瞬態(tài)過程。

探測靈敏度：必須能識別出極其微弱的磁光信號，這些信號極易被噪聲淹沒。

任何成像系統(tǒng)都必須同時滿足這兩點，才能將不可見的磁疇運動轉(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，其反射光或透射光的偏振面會隨磁化狀態(tài)發(fā)生微小旋轉(zhuǎn)。成像系統(tǒng)通過探測這種旋轉(zhuǎn)，將磁疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維襯度圖像。

關(guān)鍵突破：qCMOS將微弱信號轉(zhuǎn)化為清晰圖像

將原理轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實圖像的關(guān)鍵，在于克服探測靈敏度的極限。在超快磁光成像技術(shù)中，相機的性能直接決定了成像質(zhì)量的最終上限。面對極其微弱、常被噪聲淹沒的磁光信號，ORCA-Quest qCMOS相機的價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 濱松各款相機信噪比對比，紅線為qCMOS相機

其創(chuàng)新的ORCA-Quest qCMOS相機架構(gòu)，實現(xiàn)了趨近于零的讀出噪聲和極高的量子效率。這意味著，即使在微秒級的單次曝光內(nèi)，它也能清晰記錄下由納秒級磁動力學(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 濱松各款相機讀出噪聲對比，紅線為qCMOS相機

圖3 qCMOS讀出噪聲的典型累積像素數(shù)比例

需要明確的是，在超快成像系統(tǒng)中，納秒級的時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相機的卓越靈敏度，則是將系統(tǒng)的時間解析能力真實、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的卓越能力，讓直接“看見”納秒級的磁疇動態(tài)從目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實。

來自研究人員的實踐印證：

“在超快磁光成像研究領(lǐng)域，我們曾普遍使用CCD相機。但ORCA-Quest qCMOS相機以其無可匹敵的低讀出噪聲，成為了一個改變游戲規(guī)則的存在。此外，當(dāng)我們在其他實驗(如光學(xué)二次諧波成像)中需要長達數(shù)分鐘的曝光時，ORCA-Quest qCMOS相機憑借其高量子效率、大像素數(shù)量及板上像素合并功能，依然能提供高質(zhì)量圖像?！?/p>

圖4 研究試驗現(xiàn)場的qCMOS相機

總結(jié)而言，ORCA-Quest qCMOS相機技術(shù)的突破性在于，它確保了在追求極限時間分辨率的同時，無需以犧牲圖像質(zhì)量為代價，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)巨大價值

憑借上述卓越的探測性能，該技術(shù)方案已成功將“直接觀測”變?yōu)楝F(xiàn)實，并在以下三大前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大價值，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到這些納米尺度“磁漩渦”的產(chǎn)生、運動及湮滅的全過程。ORCA-Quest qCMOS相機提供的高信噪比圖像，如同清晰的影像資料，為驗證理論模型、進而操控斯格明子以實現(xiàn)新型計算架構(gòu)，提供了最直接的實驗證據(jù)。

2. 磁疇壁動力學(xué)的清晰揭示

磁疇壁如何運動，決定了磁存儲器性能極限。該技術(shù)能夠清晰揭示疇壁在外場或電流驅(qū)動下的真實運動圖像，幫助科學(xué)家精確區(qū)分其滑移、蠕動等不同運動機制。高靈敏度成像確保了即便在快速變化過程中，疇壁的細微形態(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)會發(fā)生超快反轉(zhuǎn)。通過系統(tǒng)的時間延遲掃描與ORCA-Quest qCMOS相機對每一時刻的高質(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態(tài)序列。這部“微觀宇宙電影”極大地深化了對超快磁動力學(xué)內(nèi)在物理機制的理解。

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.

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

這項技術(shù)的意義，遠不止于提升觀測能力。它標(biāo)志著材料研究從“推斷”走向“眼見為實”的新階段。當(dāng)納秒間的磁疇舞動變得清晰可見，我們便擁有了優(yōu)化現(xiàn)有材料、設(shè)計全新功能的鑰匙，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相機相關(guān)參數(shù)展示

審核編輯 黃宇