Microscopic studies on thin film superconductors play an important role for probing non-equilibrium phase transitions and revealing dynamics at the nanoscale. However, magnetic sensors with nanometer scale spatial and picosecond temporal resolution are essential for exploring these. Here, we present an all-optical, microwave-free method that utilizes the negatively charged nitrogen-vacancy (NV) center in diamond as a non-invasive quantum sensor and enables the spatial detection of the Meissner state in a superconducting thin film. We place an NV implanted diamond membrane on a 20nm thick superconducting La2xSrxCuO4 (LSCO) thin film with Tc of 34K. The strong B-field dependence of the NV photoluminescence allows us to investigate the Meissner screening in LSCO under an externally applied magnetic field of 4.2mT in a non-resonant manner. The magnetic field profile along the LSCO thin film can be reproduced using Brandt’s analytical model, revealing a critical current density jc of 1.4×108A/cm2. Our work can be potentially extended further with a combination of optical pump probe spectroscopy for the local detection of time-resolved dynamical phenomena in nanomagnetic materials.

1.
A.
Bandyopadhyay
,
N. C.
Frey
,
D.
Jariwala
, and
V. B.
Shenoy
,
Nano Lett.
19
,
7793
7800
(
2019
).
2.
M. K.
Wu
,
J. R.
Ashburn
,
C. J.
Torng
,
P. H.
Hor
,
R. L.
Meng
,
L.
Gao
,
Z. J.
Huang
,
Y. O.
Wang
, and
C. W.
Chu
,
Phys. Rev. Lett.
58
(
9
),
908
910
(
1987
).
3.
J. G.
Bednorz
and
K. A.
Müller
,
Z. Phys. B
64
,
189
193
(
1986
).
4.
R. M.
Hazen
,
L. W.
Finger
,
R. J.
Angel
,
C. T.
Prewitt
,
N. L.
Ross
,
C. G.
Hadidiacos
,
P.
Heaney
,
D. R.
Veblen
,
Z. Z.
Sheng
,
A.
El Ali
, and
A. M.
Hermann
,
Phys. Rev. Lett.
60
(
16
),
1657
1660
(
1988
).
5.
U.
Essmann
and
H.
Träuble
,
Phys. Lett. A
24
,
526
527
(
1967
).
6.
L.
Ceccarelly
,
D.
Vasyukov
,
M.
Wyss
,
G.
Romagnoli
,
N.
Rossi
,
L.
Moser
, and
M.
Poggio
,
Phys. Rev. B
100
,
104504
(
2019
).
7.
H. J.
Hug
,
B.
Stiefel
,
P. J. A.
Schendel
,
A.
Moser
,
R.
Hofer
,
S.
Martin
,
S.
Porthun
,
L.
Abelmann
,
J. C.
Lodder
,
G.
Bochi
, and
R. C.
Handley
,
J. Appl. Phys.
83
,
5609
5620
(
1998
).
8.
P.
Kot
,
R.
Drost
,
M.
Uhl
,
J.
Ankerhold
,
C. C.
Cuevas
, and
C. R.
Ast
,
Phys. Rev. B
101
,
134507
(
2020
).
9.
P. E.
Goa
,
H.
Hauglin
,
M.
Baziljevich
,
E. I.
Yaschenko
,
P. L.
Gammel
, and
T. H.
Johansen
,
Supercond. Sci. Technol.
14
,
729
731
(
2001
).
10.
C. L.
Degen
,
F.
Reinhard
, and
P.
Cappellaro
,
Rev. Mod. Phys.
89
,
035002
(
2017
).
11.
T.
Staudacher
,
F.
Shi
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
J.
Du
,
C. A.
Meriles
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
339
,
561
563
(
2013
).
12.
L.
Schlipf
,
T.
Oeckinghaus
,
K.
Xu
,
D. B. R.
Dasari
,
A.
Zappe
,
F. F.
Oliveria
,
B.
Kern
,
M.
Azarkh
,
M.
Drescher
,
M.
Ternes
,
K.
Kern
,
J.
Wrachtrup
, and
A.
Finkler
,
Sci. Adv.
3
,
e1701116
(
2017
).
13.
D.
Pinto
,
D.
Paone
,
B.
Kern
et al.,
Nat Commun
11,
6405
(
2020
).
14.
C.
Du
,
T.
Sar
,
T. X.
Zhou
,
P.
Upadhyaya
,
F.
Casola
,
H.
Zhang
,
M. C.
Onbasli
,
C. A.
Ross
,
R. L.
Walsworth
,
Y.
Tserkovnyak
, and
A.
Yacoby
,
Science
357
,
195
198
(
2017
).
15.
M. R.
Page
,
B. A.
McCullian
,
C. M.
Purser
,
J. G.
Schulze
,
T. M.
Nakatami
,
C. S.
Wolfe
,
J. R.
Childress
,
M. E.
McConney
,
B. M.
Howe
,
P. C.
Hammel
, and
V. P.
Bhallamudi
,
J. Appl. Phys.
126
,
124902
(
2019
).
16.
M.
Lee
,
B.
Jang
,
J.
Yoon
,
M. C.
Mathpal
,
Y.
Lee
,
C.
Kim
,
S.
Pane
,
B. J.
Nelson
, and
D.
Lee
,
Nanotechnology
29
,
405502
(
2018
).
17.
A.
Waxman
,
Y.
Schlussel
,
D.
Groswasser
,
V. M.
Acosta
,
L. S.
Bouchard
,
D.
Budker
, and
R.
Folman
,
Phys. Rev. B
89
,
054509
(
2014
).
18.
L.
Thiel
,
D.
Rohner
,
M.
Ganzhorn
,
P.
Appel
,
E.
Neu
,
B.
Müller
,
R.
Kleiner
,
D.
Koelle
, and
P.
Malitensky
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
677
682
(
2016
).
19.
M.
Pelliccione
,
A.
Jenkins
,
P.
Ovartchaiyapong
,
C.
Reetz
,
E.
Emmanouilidou
,
N.
Ni
, and
A. C. B.
Jayich
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
700
705
(
2016
).
20.
N. M.
Nusran
,
K. R.
Joshi
,
K.
Cho
,
M. A.
Tanatar
,
W. R.
Meier
,
S. L.
Budko
,
P. C.
Canfield
,
Y.
Liu
,
T. A.
Lograsso
, and
R.
Prozorov
,
New J. Phys.
20
,
043010
(
2018
).
21.
K. R.
Joshi
,
N. M.
Nusran
,
M. A.
Tanatar
,
K.
Cho
,
W. R.
Meier
,
S. L.
Budko
,
P. C.
Canfield
, and
R.
Prozorov
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014035
(
2019
).
22.
Y.
Xu
,
Y.
Yu
,
Y. Y.
Hui
,
Y.
Su
,
J.
Cheng
,
H. C.
Chang
,
Y.
Zhang
,
Y. R.
Shen
, and
C.
Tian
,
Nano Lett.
19
,
5697
5702
(
2019
).
23.
D.
Rohner
,
L.
Thiel
,
B.
Müller
,
M.
Kasperczyk
,
R.
Kleiner
,
D.
Koelle
, and
P.
Malitensky
,
Sensors
3790
,
s18113790
(
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.
3
,
1855
1861
(
2020
).
25.
V. M.
Acosta
,
L. S.
Bouchard
,
D.
Budker
,
R.
Folman
,
T.
Lenz
,
P.
Maletinsky
,
D.
Rohner
,
Y.
Schlussel
, and
L.
Thiel
,
J. Supercond. Novel Magn.
32
,
85
95
(
2019
).
26.
J.
Wrachtrup
and
F.
Jelezko
,
Phys. Status Solidi
203
,
3208
3225
(
2006
).
27.
D.
Lee
,
K. W.
Lee
,
J. V.
Cady
,
P.
Ovartchaiyapong
, and
A. C. B.
Jayich
,
J. Opt.
19
,
033001
(
2017
).
28.
E. H.
Brandt
and
M.
Indenbom
,
Phys. Rev. B
48
(
17
),
893
906
(
1993
).
29.
I. S.
Roqan
,
S.
Hussain
,
I.
Bantounas
,
J. B.
Franklin
,
T. H.
Flemban
,
B.
Zou
,
J. S.
Lee
,
U.
Schwingenschlogl
,
P. K.
Petrov
,
M. P.
Ryan
, and
N. M.
Alford
,
J. Appl. Phys.
117
,
073904
(
2015
).
30.
F.
Leuenberger
,
A.
Parge
,
W.
Felsch
,
K.
Fauth
, and
M.
Hessler
,
Phys. Rev. B
72
,
014427
(
2005
).
31.
E.
Schaefer-Nolte
,
F.
Reinhard
,
M.
Ternes
,
J.
Wrachtrup
, and
K.
Kern
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
013701
(
2014
).
32.
J.-P.
Tetienne
,
L.
Rondin
,
P.
Spinicelli
,
M.
Chipaux
,
T.
Debuisschert
,
J.-F.
Roch
, and
V.
Jacques
,
New J. Phys.
14
,
103033
(
2012
).
33.
G.
Logvenov
,
A.
Gozar
, and
I.
Bozovic
,
Science
326
,
699
702
(
2009
).
34.
R.
Gilardi
,
S.
Streule
,
N.
Momono
,
M.
Oda
, and
J.
Mesot
,
Eur. Phys. J. B
47
,
231
237
(
2005
).
35.
L.
Li
,
Y.
Wang
,
S.
Komiya
,
S.
Ono
,
Y.
Ando
,
G. D.
Gu
, and
N. P.
Ong
,
Phys. Rev. B
81
,
054510
(
2010
).
36.
I.
Iguchi
,
T.
Yamaguchi
, and
A.
Sugimoto
,
Nature
412
,
420
423
(
2011
).
37.
G.
Kim
,
G.
Christiani
,
G.
Logvenov
,
S.
Choi
,
H. H.
Kim
,
M.
Minola
, and
B.
Keimer
,
Phys. Rev. Mat.
1
,
054801
(
2017
).
38.
T.
Iguchi
and
I.
Takeda
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2193
2195
(
2003
).
39.
N. E.
Litombe
,
A. T.
Bollinger
,
J. E.
Hoffman
, and
I.
Bozovic
,
Physica C
506
,
169
173
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.