国仪量子NV色心，解锁二维材料与自旋波探测新可能

国仪量子NV色心，解锁二维材料与自旋波探测新可能

光探测磁共振（ODMR）作为固态自旋量子科学领域的重要表征手段，在微观磁场成像、自旋动力学解析等方面发挥着关键作用。国仪量子自主研发的扫描NV探针显微镜（SNVM）、量子钻石单自旋谱仪等ODMR系列仪器，近期助力科研团队在自旋波成像、二维材料室温铁磁性以及NV色心自旋混合机制等前沿方向取得多项重要进展。

工作1｜扫描NV探针成像揭示自旋波传播机制

中科院物理所李洋沐课题组在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy期刊发表研究论文《Visualizing modified spin-wave wavefronts near magnetic defects and domains using nitrogen-vacancy centers》，研究团队使用扫描NV成像技术，在磁性薄膜（YIG和LSMO）中直接对纳米级磁缺陷及反铁磁耦合条状磁畴附近的自旋波传播与波前进行了实空间成像与相位分析，揭示了波长选择性散射及波形调制规律，为自旋波器件的设计与调控提供了新方法。

自旋波（磁子）是磁有序体系的集体激发，能够规避传统电荷器件带来的焦耳热损耗，是低功耗波基信息计算的重要载体。但纳米尺度复杂磁结构下，自旋波的散射、相位演化的直接实空间观测仍存在很大挑战。现有表征手段（布里渊光散射、扫描透射X射线显微、时间分辨磁光克尔）各有局限；NV色心技术可以同时探测磁纹理、自旋波相位与手性，是互补的新方案。研究团队利用国仪量子扫描NV探针显微镜（SNVM），对钇铁石榴石（YIG）和锰锶氧化物（LSMO）两种典型磁性薄膜展开了实空间自旋波成像研究。

图1：YIG与LSMO的自旋波及磁畴图像（测试仪器：国仪量子SNVM）

01


磁性点缺陷附近的自旋波（YIG薄膜）：

• 自旋波散射强弱由自旋波波长与点状散射缺陷特征尺寸的相对比值决定；当波长与缺陷尺寸接近时，自旋波波前发生明显弯折畸变；当波长远大于缺陷尺寸时，自旋波几乎不受散射扰动；

• 自旋波与多个点缺陷相互作用会产生经典的波状干涉图样；

• 实验测量与理论模型的吻合：磁缺陷等效为二次辐射源产生柱面散射波，缺陷附近总相位偏移由入射波与散射波的振幅共同决定，理论可以复现实验散射特征。

图2：YIG薄膜中靠近磁性点散射体处的自旋波图像

02


磁畴结构附近的自旋波（LSMO薄膜）

• 实验观测到自旋波在穿过条状磁畴时呈现出锯齿状（Zig-zag）的波前畸变；

• 相邻磁畴中相反的平衡态磁化方向，迫使相位梯度方向在相邻磁畴间发生反转，以同时满足边界附近的相位连续性与色散关系；

• 微磁学模拟分析发现：动态磁化分量m_x在相邻磁畴间保持相同符号，而m_y分量则发生符号反转；m_x主要集中在磁畴壁附近；相邻磁畴间约±7 G的局部磁场差异导致了局部NV共振频率的偏移。

图3：LSMO中反铁磁耦合条带畴区与自旋波的非简并态测量

与依赖磁场反演的传统方法不同，依托国仪量子扫描NV探针显微镜，实现了自旋波相位与静态磁畴的同步原位测量，为研究磁缺陷、磁畴边界与自旋波之间的相互作用提供了新手段，为磁子器件研发提供新实验工具。

工作2｜阴离子调制实现二维CuCrSe₂室温铁磁性

中国科学技术大学吴长征团队在SCIENCE CHINA Materials期刊发表研究论文《Anion modulation induced room-temperature ferromagnetism in two-dimensional CuCrSe₂》，研究团队提出了“阴离子调制"策略，通过真空退火选择性脱除CuCrSe₂中的Se阴离子，在材料内部引入Se空位。

研究发现，退火20 min后，CuCrSe₂纳米片中的Se损失比例约为10%，但材料仍保持原有的层状晶体结构，未出现明显的结构相变或第二相。多种结构表征结果共同证明，退火过程主要引起了Se阴离子的脱除。

为验证材料在室温下的铁磁性，研究团队综合运用了磁力显微镜（MFM）、扫描NV探针显微镜（SNVM）以及反常霍尔效应（AHE）测量。其中，SNVM测试结果清晰地展示了退火后CuCrSe₂纳米片在室温下的局域磁信号，而未经退火的样品则无明显磁畴。

图4：A-CuCrSe₂材料的室温铁磁性测试

理论计算揭示了这一磁性增强的微观机制：特定位点的Se空位能够改变周围Cr原子的磁矩分布，使Cr原子之间产生更明显的磁矩分裂，并缩小自旋轨道之间的交换能隙，从而增强Cr-Cr之间的铁磁超交换作用。不同位置的Se空位对磁性的调控效果存在明显差异，其中优势位点的Se空位是实现高温铁磁性的关键。

该研究表明，选择性调控二维材料中的阴离子空位，可以在保持原有晶体结构的同时有效增强磁相互作用，为制备室温二维铁磁材料提供了新的思路，也为面向自旋电子学的低维磁性材料设计提供了重要参考。

工作3｜横向磁场下NV色心自旋混合机制

半导体研究所张俊研究团队在ACS Photonics发表研究论文《Optically Detected Spin Mixing of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond》，系统揭示了横向磁场作用下金刚石氮-空位色心（NV center）的自旋混合、光学读出衰减及电荷态转换机制，为提升NV量子传感器在复杂磁场环境下的工作稳定性提供了新思路。

金刚石NV色心是一类重要的固态量子缺陷，具有可通过激光初始化、微波操控和荧光读出的特点，已广泛应用于高灵敏磁场测量、量子成像和量子信息处理。在实际器件中，外加磁场往往难以与NV轴严格对齐。当磁场存在横向分量时，会混合NV不同的自旋子能级，削弱其光学自旋极化能力，使荧光读出和磁共振信号受到影响。

研究人员借助国仪量子ODMR相关设备，结合光致发光（PL）和连续波光探测磁共振（ODMR）技术，对金刚石NV色心在不同磁场和温度下的响应进行了系统测量。ODMR通过监测微波驱动自旋跃迁引起的荧光变化，反映NV色心的自旋初始化和光学读出能力。实验发现，随着横向磁场增强，NV色心的m_s=0与m_s=1自旋态发生更加明显的混合，导致光学极化效率下降，ODMR对比度随之减弱。

图5：使用ODMR测试NV⁻在横向磁场下的自旋混合效应

为定量评价NV对横向磁场的耐受能力，研究团队从磁场依赖的PL对比度曲线中提取了临界磁场B_c。该参数表征自旋混合开始显著影响光学读出的特征磁场尺度：B_c越大，说明NV对横向磁场越稳定；B_c越小，则表明其光学读出更容易受到磁场失配的影响。

研究还发现，临界磁场具有明显的温度依赖性。在特定中间温区，NV的荧光响应受到显著抑制。通过建立包含激发态轨道结构、声子辅助轨道弛豫、自旋依赖系间窜越等过程的Lindblad主方程模型，研究人员揭示了温度通过改变激发态轨道动力学，进一步调控横向磁场诱导自旋混合的物理机制。

此外，研究团队分别解析了负电荷态NV⁻和中性电荷态NV⁰的零声子线发光。结果显示，横向磁场增强时，NV⁻荧光减弱的同时伴随着NV⁰荧光的相应变化，表明磁场引起的信号损失并非全部来自非辐射过程，而是与NV⁻/NV⁰电荷态之间的重新分配密切相关。

该研究将自旋混合、ODMR对比度衰减、温度效应和电荷态动力学联系起来，提出了可用于评价NV量子传感器横向磁场稳定性的实验指标，为传感器的磁场方向设计、工作温度优化、电荷态调控和光学读出性能提升提供了重要参考。

NV

诚邀体验 纳米级磁成像系统

国仪量子诚邀您体验扫描NV探针显微镜（SNVM）——纳米级磁场成像系统，温度1.8~300 K，矢量磁场9/1/1 T，磁空间分辨率达10 nm，磁灵敏度2 μT/Hz^1/2。

室温版SNVM

低温版SNVM

如需了解更多产品信息，欢迎联系我们！

关注我，了解更多行业资讯

戳底部“阅读原文"，了解国仪！