Various techniques have been applied to visualize superconducting vortices, providing clues to their electromagnetic response. Here, we present a wide-field, quantitative imaging of the stray field of the vortices in a superconducting thin film using perfectly aligned diamond quantum sensors. Our analysis, which mitigates the influence of the sensor inhomogeneities, visualizes the magnetic flux of single vortices in YBa2Cu3O7−δ with an accuracy of ±10%. The obtained vortex shape is consistent with the theoretical model, and penetration depth and its temperature dependence agree with previous studies, proving our technique's accuracy and broad applicability. This wide-field imaging, which in principle works even under extreme conditions, allows the characterization of various superconductors.
REFERENCES
1.
D. S.
Fisher
,
M. P. A.
Fisher
, and
D. A.
Huse
, Phys. Rev. B
43
, 130
(1991
).2.
G.
Blatter
,
M. V.
Feigel'man
,
V. B.
Geshkenbein
,
A. I.
Larkin
, and
V. M.
Vinokur
, Rev. Mod. Phys.
66
, 1125
(1994
).3.
K.
Shibata
,
T.
Nishizaki
,
T.
Sasaki
, and
N.
Kobayashi
, Phys. Rev. B
66
, 214518
(2002
).4.
M. M.
Salomaa
and
G. E.
Volovik
, Rev. Mod. Phys.
59
, 533
(1987
).5.
G. E.
Volovik
, J. Exp. Theor. Phys. Lett.
70
, 792
(1999
).6.
S. J.
Bending
, Adv. Phys.
48
, 449
(1999
).7.
R. J.
Celotta
,
J.
Unguris
,
M. H.
Kelley
, and
D. T.
Pierce
, “
Techniques to measure magnetic domain structures
,” in Characterization of Materials
(
John Wiley & Sons, Ltd
., 2012
), pp. 1
–15
.8.
E.
Marchiori
,
L.
Ceccarelli
,
N.
Rossi
,
L.
Lorenzelli
,
C. L.
Degen
, and
M.
Poggio
, Nat. Rev. Phys.
4
, 49
(2021
).9.
S. C.
Scholten
,
A. J.
Healey
,
I. O.
Robertson
,
G. J.
Abrahams
,
D. A.
Broadway
, and
J.-P.
Tetienne
, J. Appl. Phys.
130
, 150902
(2021
).10.
J. R.
Kirtley
and
J. P.
Wikswo
, Jr.
, Annu. Rev. Mater. Sci.
29
, 117
(1999
).11.
A.
Finkler
,
D.
Vasyukov
,
Y.
Segev
,
L.
Ne'eman
,
E. O.
Lachman
,
M. L.
Rappaport
,
Y.
Myasoedov
,
E.
Zeldov
, and
M. E.
Huber
, Rev. Sci. Instrum.
83
, 073702
(2012
).12.
J. R.
Kirtley
, Rep. Prog. Phys.
73
, 126501
(2010
).13.
L.
Thiel
,
D.
Rohner
,
M.
Ganzhorn
,
P.
Appel
,
E.
Neu
,
B.
Müller
,
R.
Kleiner
,
D.
Koelle
, and
P.
Maletinsky
, Nat. Nanotechnol.
11
, 677
(2016
).14.
M.
Pelliccione
,
A.
Jenkins
,
P.
Ovartchaiyapong
,
C.
Reetz
,
E.
Emmanouilidou
,
N.
Ni
, and
A. C.
Bleszynski Jayich
, Nat. Nanotechnol.
11
, 700
(2016
).15.
R.
Schirhagl
,
K.
Chang
,
M.
Loretz
, and
C. L.
Degen
, Annu. Rev. Phys. Chem.
65
, 83
(2014
).16.
K.-M. C.
Fu
,
G. Z.
Iwata
,
A.
Wickenbrock
, and
D.
Budker
, AVS Quantum Sci.
2
, 044702
(2020
).17.
E. V.
Levine
,
M. J.
Turner
,
P.
Kehayias
,
C. A.
Hart
,
N.
Langellier
,
R.
Trubko
,
D. R.
Glenn
,
R. R.
Fu
, and
R. L.
Walsworth
, Nanophotonics
8
, 1945
(2019
).18.
S.
Hsieh
,
P.
Bhattacharyya
,
C.
Zu
,
T.
Mittiga
,
T. J.
Smart
,
F.
Machado
,
B.
Kobrin
,
T. O.
Höhn
,
N. Z.
Rui
,
M.
Kamrani
,
S.
Chatterjee
,
S.
Choi
,
M.
Zaletel
,
V. V.
Struzhkin
,
J. E.
Moore
,
V. I.
Levitas
,
R.
Jeanloz
, and
N. Y.
Yao
, Science
366
, 1349
(2019
).19.
M.
Lesik
,
T.
Plisson
,
L.
Toraille
,
J.
Renaud
,
F.
Occelli
,
M.
Schmidt
,
O.
Salord
,
A.
Delobbe
,
T.
Debuisschert
,
L.
Rondin
,
P.
Loubeyre
, and
J.-F.
Roch
, Science
366
, 1359
(2019
).20.
L.
Toraille
,
A.
Hilberer
,
T.
Plisson
,
M.
Lesik
,
M.
Chipaux
,
B.
Vindolet
,
C.
Pépin
,
F.
Occelli
,
M.
Schmidt
,
T.
Debuisschert
,
N.
Guignot
,
J.-P.
Itié
,
P.
Loubeyre
, and
J.-F.
Roch
, New J. Phys.
22
, 103063
(2020
).21.
A. P.
Drozdov
,
M. I.
Eremets
,
I. A.
Troyan
,
V.
Ksenofontov
, and
S. I.
Shylin
, Nature
525
, 73
(2015
).22.
S.
Mozaffari
,
D.
Sun
,
V. S.
Minkov
,
A. P.
Drozdov
,
D.
Knyazev
,
J. B.
Betts
,
M.
Einaga
,
K.
Shimizu
,
M. I.
Eremets
,
L.
Balicas
, and
F. F.
Balakirev
, Nat. Commun.
10
, 2522
(2019
).23.
Y.
Schlussel
,
T.
Lenz
,
D.
Rohner
,
Y.
Bar-Haim
,
L.
Bougas
,
D.
Groswasser
,
M.
Kieschnick
,
E.
Rozenberg
,
L.
Thiel
,
A.
Waxman
,
J.
Meijer
,
P.
Maletinsky
,
D.
Budker
, and
R.
Folman
, Phys. Rev. Appl.
10
, 034032
(2018
).24.
S. E.
Lillie
,
D. A.
Broadway
,
N.
Dontschuk
,
S. C.
Scholten
,
B. C.
Johnson
,
S.
Wolf
,
S.
Rachel
,
L. C. L.
Hollenberg
, and
J.-P.
Tetienne
, Nano Lett.
20
, 1855
(2020
).25.
L.
Rondin
,
J.-P.
Tetienne
,
T.
Hingant
,
J.-F.
Roch
,
P.
Maletinsky
, and
V.
Jacques
, Rep. Prog. Phys.
77
, 056503
(2014
).26.
T.
Miyazaki
,
Y.
Miyamoto
,
T.
Makino
,
H.
Kato
,
S.
Yamasaki
,
T.
Fukui
,
Y.
Doi
,
N.
Tokuda
,
M.
Hatano
, and
N.
Mizuochi
, Appl. Phys. Lett.
105
, 261601
(2014
).27.
K.
Tahara
,
H.
Ozawa
,
T.
Iwasaki
,
N.
Mizuochi
, and
M.
Hatano
, Appl. Phys. Lett.
107
, 193110
(2015
).28.
H.
Ishiwata
,
M.
Nakajima
,
K.
Tahara
,
H.
Ozawa
,
T.
Iwasaki
, and
M.
Hatano
, Appl. Phys. Lett.
111
, 043103
(2017
).29.
H.
Ozawa
,
K.
Tahara
,
H.
Ishiwata
,
M.
Hatano
, and
T.
Iwasaki
, Appl. Phys. Express
10
, 045501
(2017
).30.
T.
Tsuji
,
H.
Ishiwata
,
T.
Sekiguchi
,
T.
Iwasaki
, and
M.
Hatano
, Diam. Relat. Mater.
123
, 108840
(2022
).31.
G. R.
Stewart
, Adv. Phys.
66
, 75
(2017
).32.
S. D.
Sarma
,
C.
Nayak
, and
S.
Tewari
, Phys. Rev. B
73
, 220502
(2006
).33.
P. T.
How
and
S.-K.
Yip
, Phys. Rev. Res.
2
, 043192
(2020
).34.
S.
Nishimura
,
M.
Tsukamoto
,
K.
Sasaki
, and
K.
Kobayashi
(unpublished).35.
K.
Sasaki
,
Y.
Monnai
,
S.
Saijo
,
R.
Fujita
,
H.
Watanabe
,
J.
Ishi-Hayase
,
K. M.
Itoh
, and
E.
Abe
, Rev. Sci. Instrum.
87
, 053904
(2016
).36.
M.
Tsukamoto
,
K.
Ogawa
,
H.
Ozawa
,
T.
Iwasaki
,
M.
Hatano
,
K.
Sasaki
, and
K.
Kobayashi
, Appl. Phys. Lett.
118
, 264002
(2021
).37.
M.
Fujiwara
,
A.
Dohms
,
K.
Suto
,
Y.
Nishimura
,
K.
Oshimi
,
Y.
Teki
,
K.
Cai
,
O.
Benson
, and
Y.
Shikano
, Phys. Rev. Res.
2
, 043415
(2020
).38.
S.
Ito
,
M.
Tsukamoto
,
K.
Ogawa
,
T.
Teraji
,
K.
Sasaki
, and
K.
Kobayashi
, J. Phys. Soc. Jpn.
92
, 084701
(2023
).39.
J. R.
Clem
, J. Low Temp. Phys.
18
, 427
(1975
).40.
G.
Carneiro
and
E. H.
Brandt
, Phys. Rev. B
61
, 6370
(2000
).41.
V. G.
Kogan
, Phys. Rev. B
68
, 104511
(2003
).42.
V. G.
Kogan
,
N.
Nakagawa
, and
J. R.
Kirtley
, Phys. Rev. B
104
, 144512
(2021
).43.
J.
Pearl
, Appl. Phys. Lett.
5
, 65
(1964
).44.
S.
Djordjevic
,
E.
Farber
,
G.
Deutscher
,
N.
Bontemps
,
O.
Durand
, and
J.
Contour
, Eur. Phys. J. B
25
, 407
(2002
).45.
J. E.
Sonier
,
S. A.
Sabok-Sayr
,
F. D.
Callaghan
,
C. V.
Kaiser
,
V.
Pacradouni
,
J. H.
Brewer
,
S. L.
Stubbs
,
W. N.
Hardy
,
D. A.
Bonn
,
R.
Liang
, and
W. A.
Atkinson
, Phys. Rev. B
76
, 134518
(2007
).46.
A. A. E.
Hassan
,
A.
Labrag
,
A.
Taoufik
,
M.
Bghour
,
H. E.
Ouaddi
,
A.
Tirbiyine
,
B.
Lmouden
,
A.
Hafid
, and
H. E.
Hamidi
, Phys. Status Solidi B
258
, 2100292
(2021
).47.
M.
Prohammer
and
J. P.
Carbotte
, Phys. Rev. B
43
, 5370
(1991
).48.
D. N.
Basov
and
T.
Timusk
, Rev. Mod. Phys.
77
, 721
(2005
).49.
E.
Stilp
,
A.
Suter
,
T.
Prokscha
,
Z.
Salman
,
E.
Morenzoni
,
H.
Keller
,
C.
Katzer
,
F.
Schmidl
, and
M.
Döbeli
, Phys. Rev. B
89
, 020510
(2014
).50.
O. M.
Auslaender
,
L.
Luan
,
E. W. J.
Straver
,
J. E.
Hoffman
,
N. C.
Koshnick
,
E.
Zeldov
,
D. A.
Bonn
,
R.
Liang
,
W. N.
Hardy
, and
K. A.
Moler
, Nat. Phys.
5
, 35
(2009
).51.
V. M.
Acosta
,
L. S.
Bouchard
,
D.
Budker
,
R.
Folman
,
T.
Lenz
,
P.
Maletinsky
,
D.
Rohner
,
Y.
Schlussel
, and
L.
Thiel
, J. Supercond. Nov. Magn.
32
, 85
(2019
).52.
Z.
Kazi
,
I. M.
Shelby
,
H.
Watanabe
,
K. M.
Itoh
,
V.
Shutthanandan
,
P. A.
Wiggins
, and
K.-M. C.
Fu
, Phys. Rev. Appl.
15
, 054032
(2021
).53.
C. L.
Degen
,
F.
Reinhard
, and
P.
Cappellaro
, Rev. Mod. Phys.
89
, 035002
(2017
).© 2023 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.
