높은 공간 분해능과 높은 자기장 민감도를 가지는 자기장 측정 및 이미징 방법은 물리학, 재료 과학, 지질학 및 의학 등 다양한 분야에서 중요하다. 그러나 현재 방법은 자기장 감도가 낮거나 공간 해상도가 낮은 한계를 가지고 있다. 예를 들어 초전도 양자 간섭장치(SQUID) 방법은 자기장 감도가 높지만 공간 해상도가 낮은 (< μm) 반면, 자기력 현미경(MFM)은 공간 해상도가 높지만 자기장 감도가 낮다 (< mT). 또한, 이 방법들은 극저온 환경이 필요하거나 정량적인 측정이 제한적이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 주사탐침현미경과 다이아몬드 질소-빈자리 결함 중심(Diamond NV center, NV 센터)을 이용한 자기장 측정 방법을 결합한 새로운 이미징 방식이 제안되었다. 이 방법은 높은 공간 분해능(~ 10 nm)과 높은 자기장 민감도(~ nT)를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
이 논문에서 저자는 NV 센터의 기본적인 구조를 소개하고, 이 양자 상태를 이용한 측정 원리와 결과를 설명한다. 또한, 단일 NV 센터 측정을 위한 공초점 현미경과 자기장 이미징을 위한 주사탐침현미경 방법이 결합된 장비의 구성과 측정 기술이 설명된다. 먼저, 강자성 나노와이어 근처의 자기장이 공초점 현미경을 이용해 측정되었다. 나노와이어 주변에서 생성되는 자기장의 이미지와 특성은 마이크로 자성 전산모사와 비교되어 분석되었다. 그 다음으로, 수송 실험을 수행하지 않고도 그래핀 내 전류의 흐름을 시각화하기 위해 기존 NV 센터 측정과 주사탐침현미경이 결합해 측정되었다. 샘플 표면 위에서 자기장 지도가 이미지 되고, 이 이미지가 매핑되어 전류 분포가 재구성되었다. 이 전류 분포는 2D 전류 전산모사와 비교되었다. 마지막으로, 외부 자기장에서 변화하는 퍼멀로이 필름의 자기구역이 측정되었다. 정적 및 동적 자기장의 영향을 받는 상황에서 자기구역은 변화한다. 자기구역의 변화가 만들어 낸 자기장 이미지를 정적 및 동적 라비 진동 측정을 통해 확인하고, 자기장 상황에서의 전산모사와 비교 분석되었다.
본 연구에서는 주사탐침현미경과 결합한 NV 자력계를 사용하여 전류 흐름이 있는 소자와 자성 물질에서 자기장을 이미징한 결과를 보였다. 비침습적인 자기장 이미징을 통해 소자 내부 전류 흐름 및 자기구역의 외부 자기장에 대한 변화가 확인되었다. 이러한 자기장 측정 및 이미징 방법은 기초 응집 물질 물리학 연구뿐만 아니라 자성 소재, 스핀트로닉스 소자 응용 분야에 활용될 수 있다.