一顆鉆石，能做什么？

在珠寶店里，它是永恒的承諾。在實(shí)驗(yàn)室里，它是窺探微觀世界的"量子之眼"。

最近，基于國(guó)儀量子金剛石NV平臺(tái)的三項(xiàng)最新研究成果相繼發(fā)表，研究方向橫跨反鐵磁自旋輸運(yùn)、量子傳感增強(qiáng)與拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)探測(cè)。

從微觀磁子弛豫機(jī)制，到納米尺度斯格明子成像，再到NV磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提升，這顆“量子鉆石"正逐漸成為前沿材料研究中的關(guān)鍵工具。

NV

南方科技大學(xué)：磁子自旋為什么會(huì)“丟失"？

反鐵磁絕緣體中的磁子（magnon）自旋輸運(yùn)，長(zhǎng)期以來(lái)存在一個(gè)核心謎題：磁子自旋是如何"丟失"的？這一問(wèn)題長(zhǎng)期限制著反鐵磁自旋電子學(xué)的發(fā)展。

南方科技大學(xué)李軍學(xué)教授團(tuán)隊(duì)與北京師范大學(xué)沈卡教授合作，利用非局域自旋輸運(yùn)測(cè)量，在兩種典型的單軸反鐵磁絕緣體——Cr₂O₃和α-Fe₂O₃中，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了D'yakonov-Perel'（DP）型磁子自旋弛豫機(jī)制。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

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在自旋翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變前，磁場(chǎng)誘導(dǎo)的一階諧波非局域信號(hào)增強(qiáng)高達(dá)499%（Cr₂O₃）和459%（α-Fe₂O₃）

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 磁子自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度隨磁場(chǎng)增強(qiáng)并在0.8 T以上飽和，與DP模型預(yù)測(cè)高度吻合

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零場(chǎng)磁子自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度在Cr₂O₃中可達(dá)2.0 μm（120 K）

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這一發(fā)現(xiàn)為低耗散反鐵磁自旋電子器件的設(shè)計(jì)提供了全新理論框架。正如論文中所強(qiáng)調(diào)的，掃描氮空位中心顯微鏡（SNVM）在表征反鐵磁疇結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用——盡管Cr₂O₃(10-10)晶面因面內(nèi)自旋子晶格的弱雜散場(chǎng)而難以成像，但在實(shí)驗(yàn)中研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合SNVM對(duì)反鐵磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輔助表征。相比傳統(tǒng)磁成像方法，NV探針能夠在弱雜散場(chǎng)條件下提供更高靈敏度的局域磁信息，為理解磁子輸運(yùn)與疇結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系提供了重要依據(jù)。文章近期發(fā)表在《Nature Communications 》

NV

華南師范大學(xué)：一個(gè)5微米小球，如何讓NV磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提升兩倍？

量子傳感器的靈敏度，往往卡在"光"這一步——金剛石NV色心的熒光光子收集效率，傳統(tǒng)共聚焦系統(tǒng)通常不足0.5%。

華南師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑：在金剛石表面貼一層SiO₂微球，就像給NV色心戴了一副"聚光眼鏡"

核心創(chuàng)新

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5 μm微球實(shí)現(xiàn)熒光收集效率提升86.4％

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單微球修飾使磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提升2.25倍

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單層密排多微球構(gòu)型靈敏度提升達(dá)2.32倍

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微球的雙重魔法在于：入射端通過(guò)光子納米射流增強(qiáng)532 nm泵浦激光強(qiáng)度（最高5.24倍）；出射端利用光學(xué)可逆性將發(fā)散的637 nm熒光準(zhǔn)直為定向光束，突破金剛石高內(nèi)全反射角的限制。

研究團(tuán)隊(duì)使用國(guó)儀量子SNVM完成了全部實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。ODMR譜線(xiàn)對(duì)比顯示， 修飾后的信號(hào)對(duì)比度顯著增強(qiáng)，而線(xiàn)寬和中心頻率無(wú)系統(tǒng)性偏移——表明微球結(jié)構(gòu)主要作用于光學(xué)收集過(guò)程，并未觀察到明顯譜線(xiàn)漂移或額外線(xiàn)寬展寬。

文章近期發(fā)表在《Optics & Laser Technology》

(a) 不同尺寸二氧化硅微球修飾金剛石表面的熒光光子收集率（紅色柱形），與未修飾表面（藍(lán)色柱形）的對(duì)比。

(b) 熒光收集效率提升百分比的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

(c) 采用不同直徑微球后的信號(hào)對(duì)比度提升效果（紅色曲線(xiàn)），以及連續(xù)波光探測(cè)磁共振（CW-ODMR）磁力計(jì)在不同微球尺寸下的靈敏度提升因子。

(d)、(e)、(f) 分別給出無(wú)外磁場(chǎng)條件下，不同直徑下微球修飾金剛石表面的 ODMR 譜（紅色曲線(xiàn)），與未修飾表面（藍(lán)色曲線(xiàn)）的對(duì)比。

(g)、(h)、(i) 對(duì) NV 色心施加定向磁場(chǎng)后，測(cè)得的 ODMR 譜曲線(xiàn)結(jié)果。

NV

廣東工業(yè)大學(xué)： 磁矩已經(jīng)互相抵消，為何還能測(cè)到霍爾信號(hào)？

斯格明子（skyrmion）是一種納米尺度的特殊磁結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是下一代高密度、低功耗磁存儲(chǔ)器件的重要候選。

傳統(tǒng)鐵磁斯格明子雖然容易操控，卻存在一個(gè)問(wèn)題：在電流驅(qū)動(dòng)下，它會(huì)發(fā)生橫向“漂移"，容易撞向器件邊界而消失。

于是，研究人員想到了一種更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)——合成反鐵磁斯格明子（SAF skyrmion）。它由上下兩層磁矩方向相反的結(jié)構(gòu)組成，總磁矩幾乎互相抵消，因此理論上可以消除這種漂移效應(yīng)。

但新的問(wèn)題來(lái)了：

如果磁矩已經(jīng)“互相抵消"，系統(tǒng)還會(huì)不會(huì)產(chǎn)生拓?fù)浠魻栃?yīng)（THE）？

廣東工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在[Pt/Co/Ru]₂多層膜體系中，在補(bǔ)償?shù)?/span>SAF斯格明子體系中觀測(cè)到了非零拓?fù)浠魻栃盘?hào)。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

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在非補(bǔ)償與補(bǔ)償SAF體系中均觀測(cè)到非零THE

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零場(chǎng)下穩(wěn)定SAF斯格明子尺寸約150 nm

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界面磁鄰近效應(yīng)與原子擴(kuò)散，會(huì)在Pt/Ru層誘導(dǎo)額外磁矩，從而產(chǎn)生額外THE貢獻(xiàn)

在這項(xiàng)工作中，SNVM掃描NV探針顯微鏡成功分辨出了零場(chǎng)條件下SAF條紋疇與斯格明子的共存狀態(tài)。相比傳統(tǒng)MFM依賴(lài)較強(qiáng)雜散場(chǎng)信號(hào)，NV探針能夠更靈敏地探測(cè)弱磁結(jié)構(gòu)，這也是其在反鐵磁與補(bǔ)償磁體系中的重要優(yōu)勢(shì)。

文章近期發(fā)表在《Applied Physics Letters》

NV

量子金剛石：從"科研工具"到"科學(xué)伙伴"

三篇論文，三個(gè)領(lǐng)域，同一種技術(shù)底座。

從反鐵磁自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)物理探索，到量子傳感靈敏度的工程優(yōu)化，再到拓?fù)浯判圆牧?/span>的器件應(yīng)用——國(guó)儀量子金剛石NV設(shè)備正在證明：量子精密測(cè)量不是實(shí)驗(yàn)室里的"奢侈品"，而是驅(qū)動(dòng)材料科學(xué)前沿的"基礎(chǔ)設(shè)施"。當(dāng)越來(lái)越多“看不見(jiàn)"的磁結(jié)構(gòu)被真正看見(jiàn)，量子測(cè)量技術(shù)也正在從輔助工具，逐漸變成推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新引擎。

誠(chéng)邀體驗(yàn) 納米級(jí)磁成像系統(tǒng)

國(guó)儀量子誠(chéng)邀您體驗(yàn)掃描NV探針顯微鏡（SNVM）——納米級(jí)磁場(chǎng)成像系統(tǒng)，溫度1.8~300 K，矢量磁場(chǎng)9/1/1 T，磁空間分辨率達(dá)10 nm，磁靈敏度2 μT/Hz^1/2。