扫描超导量子干涉显微仪是目前最灵敏的磁探测技术之一，其兼具较好的空间分辨能力，是介观尺度下研究量子材料强有力的工具。借助集成电路微纳加工技术可在硅片上大规模制备nano-SQUID探头，并集成梯度计结构、调制线圈、场线圈等部件以实现各种拓展功能。基于场线圈的局域磁化率测量能力在超导、磁性等体系的研究中发挥着不可或缺的作用。然而，nano-SQUID芯片的平面结构限制了检测线圈与样品的距离从而将空间分辨率限制在亚微米量级，如何在保留各功能电路的情况下提高空间分辨率是一个难题。

王熠华课题组运用自主发展的飞秒激光三维纳米直写技术在nano-SQUID芯片头部打印了针尖（图1），蒸镀上超导材料后通过聚焦离子束刻蚀在超导针尖上进一步加工出了百纳米级的小孔和细缝。超导体的麦斯那屏蔽效应将阻碍磁感线穿过超导壳层，因此只有小孔下方的磁信号能被nano-SQUID检测线圈收集从而实现空间分辨率的提高。并且，超导针尖能聚焦场线圈所产生的磁场以进行更加局域的磁化率测量。针尖的集成也使得nano-SQUID在磁成像的同时还能进行原子力显微得到形貌图像。这一结果建立了在平面电路上构建三维超导结构的方法，突破了片上器件的几何局限，为基于磁通的纳米超导量子器件在介观尺度更广泛的应用打下了基础。

该工作近日以“Flux focusing with a superconducting nano-needle for scanning SQUID susceptometry”为题在线发表于Microsystems & Nanoengineering.

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委等基金项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41378-023-00553-9

图1：(a)-(e) 在nano-SQUID芯片上利用超快激光三维纳米打印和制备超导针尖流程图。(f)-(g) 成品器件电子显微镜照片。(h) 加工后器件噪声谱，磁灵敏度无退化。