《JACS》室溫下，我們"看見"了二維分子磁疇

 二維材料能不能在室溫下穩定保持鐵磁性？ 更關鍵的是——我們真的“看見"它了嗎？

近日，中國科學技術大學精準智能化學全國重點實驗室吳長征教授課題組在國際期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）發表了題為“Interlayer-Confined Molecular Assembly Enables a Family of Two-Dimensional Room-Temperature Ferromagnets" 的研究論文。該研究提出了一種層間限域分子組裝策略，成功構建出一類具有室溫（>300 K）穩定鐵磁序的二維分子材料體系，為低維磁性材料及分子自旋電子學的發展提供了新的設計思路。

本研究中，基于金剛石 NV 色心的量子鉆石顯微鏡（Quantum Diamond Microscope, QDM）在材料磁性表征中發揮關鍵作用，實現了材料磁性的微米級分辨成像，標志著量子傳感技術在分子磁性材料表征中取得關鍵突破。

NV  二維分子鐵磁體：從構筑到驗證

二維鐵磁材料因其在自旋電子學、信息存儲及量子器件中的潛在應用而備受關注。然而，實現高居里溫度（室溫以上）、穩定長程磁有序、分子體系中的可調控磁性，一直是該領域的核心挑戰。

該研究通過將磁性二茂鈷分子（Co(Cp)?）插層引入金屬態過渡金屬二硫族化物（如TaS?）層間，實現：

分子取向的精確調控

有效的界面耦合增強

由界面巡游電子介導的鐵磁交換

最終獲得超過300 K的二維鐵磁有序

NV  QDM實現磁疇的直接可視化

傳統磁性測量手段（如振動樣品磁強計VSM）雖然能夠探測宏觀磁化信號，但面對分子插層這類新型材料體系，宏觀信號可能受到雜質、邊緣效應或測量幾何因素的干擾，難以給出鐵磁性起源的確定性結論。而磁疇成像——直接"看見"磁有序的空間分布——才是證明長程鐵磁耦合存在的最直接證據。

在磁性驗證方面，研究團隊結合多種手段（如M–T、M–H曲線等）確認材料具有鐵磁行為。同時，利用QDM進一步實現了關鍵突破：對二維材料磁疇結構的直接成像

通過NV色心自旋共振頻移獲取局域磁場信息

在室溫條件下實現二維磁場分布成像

清晰觀察到正負交替的磁疇結構

該結果提供了鐵磁有序存在的直接證據，增強了研究結論的可靠性。

(a) 100 Oe，零場冷卻與場冷卻過程的面內、面外磁化強度 - 溫度曲線；

(b) 300 K的各向異性磁化強度 - 磁場曲線；

(c) 300 K、500 Oe條件下磁化強度隨角度的變化關系；

(d) QDM原理示意圖；

(e) QDM的光學顯微鏡圖像；

(f) 300 K，外加磁場約為 47 Oe，通過QDM測得的對應磁場映射圖像。

NV  推動低維磁性與自旋電子學研究

這項工作旨在解決分子基材料難以實現室溫鐵磁性的科學難點，通過層間vdW空間的亞納米限域效應精確控制分子排列與自旋取向，利用有機-無機界面耦合實現了巡游電子介導的鐵磁交換。量子鉆石顯微鏡的引入，不僅為本研究提供了決定性的實驗證據，更展示了量子傳感技術在低維磁性材料表征中的巨大潛力——未來，結合掃描NV顯微鏡（SNVM）等技術，有望實現更高空間分辨率的磁疇動態觀測，甚至單分子尺度的磁性探測，為分子自旋電子學器件的研發提供新的表征手段。

NV  量子鉆石顯微鏡的技術優勢

相較于傳統磁學表征手段，量子鉆石顯微鏡具備獨特優勢：

室溫下實現高靈敏磁場探測

提供磁場二維空間分布信息

可直接區分不同磁疇區域

實現定量磁場反演

使磁性從“間接信號"轉變為“可視化圖像"

NV  誠邀體驗 納米級磁成像系統

國儀量子誠邀您體驗掃描NV探針顯微鏡（SNVM）——納米級磁場成像系統，溫度1.8~300 K，矢量磁場9/1/1 T，磁空間分辨率達10 nm，磁靈敏度2 μT/Hz^1/2。