Wide-field magnetic imaging of shielding-current-driven vortex rearrangement under local heating using diamond quantum sensors
透過鑽石 NV 中心感測器，研究團隊在超過 100 分鐘的影像紀錄中，證實 1 K 的局部溫差與屏蔽電流能精確重排超導量子漩渦。
- 利用雷射局部加熱產生 1 K 的微小溫差，即可有效降低超導體中央區域的漩渦釘紮力。
- 外加 68 μT 的磁場變化會誘發 37 A/m 的屏蔽電流，藉由勞侖茲力定向推動微觀量子漩渦。
- 結合空間溫控與磁場操作，未來可實現在超導感測器特定區域內主動排除或重新定位量子漩渦。
透過改變局部溫度與外加磁場，研究團隊利用鑽石量子感測器，成功在超過 100 分鐘的連續觀測中，即時捕捉到氮化鈮（NbN）超導薄膜內部量子漩渦的重排過程。這項精確觀測不僅揭示了僅僅 1 K 的局部溫差如何引發微觀結構的位移，更為提升超導量子元件的穩定性提供了全新的物理驗證途徑。
鑽石量子感測器揭示 NbN 薄膜微觀動態
超導體內部的量子漩渦運動會導致能量耗散，如何抑制這種現象一直是設計超導硬體的核心挑戰。另一方面，精確控制漩渦也被認為是開發超導奈米線單光子偵測器（SSPD，能偵測單一光子的超導感測元件）的重要基礎。為了實現主動控制，首要任務便是能在真實空間中視覺化這些漩渦的分布型態。
研究團隊採用了一種以化學氣相沉積法生長的鑽石感測器，其表面含有厚度約 2.3 μm 的氮-空位中心（NV centers，能感測微小磁場的鑽石晶格缺陷）層。團隊將此感測器貼合在一層厚度 200 nm、以反應式直流磁控濺鍍生長的氮化鈮（NbN）薄膜上。NbN 具有優異的超導特性，廣泛應用於包含量子運算在內的各種底層硬體中。
根據電阻溫度測量結果，該 NbN 樣本的超導轉變溫度為 15.7 K。然而，在以連續波光偵測磁共振技術進行讀取時，由於測量所需的雷射會對樣本產生全域加熱效應，使得抗磁性消失的實際觀測溫度降至 14.1 K。研究人員首先在零磁場下將系統降溫至 3.6 K，接著施加 -47.4 μT 的垂直磁場，在 130 μm × 130 μm 的視野範圍內成功觀測到 399 個磁場峰值。這些峰值的數量與理論估算的 387 個高度吻合，證實每一個峰值都代表一個帶有單一磁通量量子（Flux quantum，超導體內部磁場的最小單位）的漩渦。
100 分鐘觀測下的 68 μT 磁場階梯實驗
為了探究量子漩渦的動態行為，研究人員在 91 μT 的冷卻磁場下完成降溫後，將載台溫度維持在 11.5 K，並開始階梯式切換外加磁場。在每次耗時約 5 分鐘的磁場影像擷取過程中，團隊記錄了特定區域的平均磁場變化，完整追蹤超過 100 分鐘的動態演化。
當外加磁場維持在初始的 91 μT 時，磁場分布沒有明顯的空間不均勻性，各區域的平均數值也幾乎保持不變。然而，當外加磁場一口氣增加至 159 μT（即增加 68 μT）時，視野中央區域的磁場發生了顯著改變。影像顯示上半部的磁場增加而下半部減少，這意味著量子漩渦由上往下發生了群體位移，但相較之下，視野外圍區域的漩渦配置卻毫無動靜。
隨後，當外加磁場降低至 23 μT（比初始值減少 68 μT）時，中央區域的漩渦則出現了由下往上的反向位移。最後若將磁場恢復至初始的 91 μT，整體分布又會大致回到均勻狀態。在整個實驗過程中，全視野的總磁通量平均值維持在 707 Φ0，標準差僅約 1.2%，證明了觀察到的數值變化確實源自於單一視野內部漩渦配置的重排，而非整體磁通量的流失。
雷射引發 1 K 溫差解開量子漩渦釘紮效應
上述現象帶出了一個關鍵問題：為什麼量子漩渦的重排只發生在視野中央？分析指出，這是因為觀測所使用的 515-nm 雷射光束呈現高斯分布，雷射能量高度集中在中央區域，導致了局部加熱效應。較高的局部溫度削弱了該區域的釘紮力（Pinning force，材料缺陷將漩渦固定在原地的作用）。
為了量化溫度對解除釘紮效應的影響，團隊在固定磁場下連續拍攝磁場分布圖，並設定若相鄰影格間漩渦移動超過 1 μm 即判定發生位移。數據顯示，在受雷射高強度照射的中央區域，當載台溫度超過 10.75 K 時，漩渦就開始產生明顯的熱活化位移；相對地，在雷射強度較弱的外圍區域，載台溫度必須提升至 11.75 K 才會觀察到類似的位移現象。
這項對比證實，中央區域的實際溫度比外圍高出了約 1 K。正是這 1 K 的局部溫差，成為了讓中央區域漩渦得以擺脫束縛、進而在後續磁場變化中產生群體移動的關鍵條件。在固定磁場下觀測到的位移角度呈現各向同性，顯示這純粹是熱活化或雷射強度波動引起的隨機擾動。
屏蔽電流引發的 7.6e-2 pN 勞侖茲力
釐清了局部加熱如何解開漩渦後，團隊進一步計算了驅動漩渦進行定向位移的實質力量。當外加磁場發生改變時，超導體內部會產生屏蔽電流以抵銷磁場變化。由於量子漩渦的特徵長度遠小於樣本寬度，可以假設超導薄膜實現了完全的磁場屏蔽。
根據理論計算，在實驗中施加 68 μT 的磁場增量時，會在其觀測區域產生大小為 37 A/m 的片電流密度。若換算為 200 nm 厚度的 NbN 薄膜，其電流密度達到了 1.8e-2 MA/cm²。這股屏蔽電流會對帶有正向磁通量的量子漩渦施加勞侖茲力，計算得出的推力大小為 7.6e-2 pN。
這個經過計算的受力方向，完美契合了實驗中磁場增加時漩渦由上往下的運動軌跡。同樣的物理機制也解釋了當外加磁場減弱時，屏蔽電流反轉導致漩渦向上移動的現象。雖然這個推力數值比過去利用磁力顯微鏡測得的薄膜釘紮力低了一個數量級，但在考量 1 K 局部加熱帶來的削弱效應後，這股推力已足以克服物理障礙並改變漩渦分布。
結合局部溫差削弱釘紮力與變動磁場誘發屏蔽電流，這項技術證實了將量子漩渦從超導感測元件特定敏感區域中主動排除的工程可行性。