12 T超导磁体中±90°原位可旋转磁力显微镜的紧凑设计、构建与磁畴演化研究

为解决高场强下磁畴演化的原位观测难题，中国科学院团队开发了12 T超导磁体兼容的低温可旋转磁力显微镜（CRMFM）。该系统通过±90°样品旋转实现矢量磁场调控，首次在12 T面内磁场下获得高质量磁力显微镜（MFM）图像，成功捕捉镍薄膜中磁条畴-磁泡畴的动态转变，为磁各向异性研究提供了新范式。

　　

在探索磁性材料微观世界的征程中，科学家们长期面临一个关键挑战：如何在强磁场环境下实时观测磁畴结构的动态演变。传统磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）虽能实现纳米级分辨，但受限于固定磁场方向，难以捕捉磁化方向变化对磁畴的影响。尤其对于高温超导体、拓扑磁体等前沿材料，其独特的物理性质往往需要在极低温（<100 K）和超高磁场（>10 T）条件下才能显现，而现有矢量磁体最高仅能提供5 T的倾斜磁场，严重制约了磁各向异性等基础问题的研究。

针对这一技术瓶颈，中国科学院团队在《Ultramicroscopy》发表的研究中，报道了一种革命性的低温可旋转磁力显微镜（Cryogenic Rotatable MFM, CRMFM）系统。该系统创新性地将样品旋转机构集成到12 T超导磁体中，通过机械旋转实现磁场方向从垂直（out-of-plane）到平行（in-plane）的连续调控，为磁畴演化研究开辟了新维度。

关键技术包括：（1）采用35 mm行程压电马达实现XYZ三维扫描与粗逼近；（2）硅压阻自感知悬臂（piezoresistive self-sensing cantilever）技术提升系统稳定性；（3）定制化振动隔离系统确保12 T场强下的成像质量；（4）-90°至+90°机械旋转平台实现原位磁场方向调控。实验选用电子束蒸镀镍薄膜作为模型体系，在100 K下进行MFM成像。

【振动隔离】
研究团队设计了三级减震系统：超导磁体通过三角形铝架支撑于浮动隔振器上，真空腔体内置主动阻尼装置，旋转机构采用刚性陶瓷组件。该设计使系统在12 T场强下的振动幅度控制在0.1 nm级，满足原子级成像需求。

【磁畴在垂直磁场下的演化】
通过CRMFM观测发现，镍薄膜在零场下呈现典型的条状磁畴（stripe domains）。当施加垂直磁场时，随着场强增加至3 T，条畴宽度从初始的500 nm缩减至200 nm；场强达8 T时，出现条畴断裂现象，形成磁泡畴（bubble domains）与短条畴的混合态。这一发现首次直观展示了高场下磁畴的拓扑转变过程。

【结论与意义】
该研究构建的CRMFM系统突破了传统MFM的磁场方向限制，实现了三大创新：（1）首次在12 T面内磁场下获得纳米级分辨MFM图像；（2）通过原位旋转捕捉到磁条畴-磁泡畴的连续转变，提出磁场取向驱动（field-orientation-driven）的磁畴调控新机制；（3）紧凑型设计为强关联电子体系研究提供了普适性平台。Min Zhang等研究者特别指出，该系统可拓展至斯格明子（skyrmions）、磁畴壁动力学等前沿领域，为理解磁晶各向异性（magnetic crystal anisotropy）与宏观输运性质的关联提供了微观实验依据。研究获得国家重点研发计划（2023YFA1607701）等项目的支持，相关技术已应用于上海强磁场科学中心的SM2超导磁体-扫描探针联合系统。