ODMR на NV-центрах открывает новые возможности для 2D-материалов и обнаружения спиновых волн

Коротко о главном

Три исследовательские группы использовали приборы CIQTEK ODMR, включая сканирующий NV-зондовый микроскоп (SNVM) и алмазный спектрометр одиночных спинов, для продвижения исследований в трех различных областях передовых материалов.

Команда из Института физики Китайской академии наук визуализировала спиновые волны в реальном пространстве вблизи магнитных дефектов и антиферромагнитно связанных полосовых доменов в пленках YIG и LSMO. Они зафиксировали длину волны селективного рассеяния и, впервые, зигзагообразное искажение волнового фронта при прохождении спиновых волн через полосовые домены.

Команда из Научно-технического университета Китая удалила селен из 2D-материала CuCrSe₂ путем вакуумного отжига. Полученные вакансии Se обеспечили ферромагнетизм при комнатной температуре, при этом слоистая кристаллическая структура осталась нетронутой.

Команда из Института полупроводников Китайской академии наук нанесла на карту, как поперечное магнитное поле смешивает спиновые состояния NV-центров, ослабляет оптическое считывание и смещает баланс между зарядовыми состояниями NV⁻ и NV⁰, что важно для поддержания стабильности датчиков на основе NV-центров в реальных магнитных условиях.

Почему это важно

Оптически детектируемый магнитный резонанс (ODMR) занимает центральное место в физике спинов в твердом теле. Именно с его помощью исследователи визуализируют микроскопические магнитные поля, анализируют спиновую динамику и превращают одиночный дефект атомного масштаба в алмазе в работающий датчик. Все три исследования, представленные ниже, опирались на линейку продуктов CIQTEK ODMR, которая включает сканирующий NV-зондовый микроскоп (SNVM) и алмазный спектрометр одиночных спинов, чтобы проникнуть в области, недоступные для старых инструментов: визуализация спиновых волн, ферромагнетизм при комнатной температуре в 2D-материалах и поведение спинового смешивания самих NV-центров.

Ниже представлено то, что обнаружила каждая команда, и почему это важно для всех, кто создает магнонные устройства, спинтронные материалы или датчики на основе алмазов.

Исследование 1: Сканирующая NV-визуализация показывает, как на самом деле распространяются спиновые волны

Где опубликовано: SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy

Название статьи: Визуализация модифицированных волновых фронтов спиновых волн вблизи магнитных дефектов и доменов с использованием азотно-вакансионных центров

Исследовательская группа: Группа Ли Янму из Института физики Китайской академии наук

Команда использовала сканирующую NV-визуализацию для проведения визуализации в реальном пространстве и фазового анализа распространения спиновых волн и волновых фронтов вблизи наноразмерных магнитных дефектов и антиферромагнитно связанных полосовых доменов в магнитных тонких пленках (YIG и LSMO). Работа выявила селективное по длине волны рассеяние и модуляцию формы волны, предоставив разработчикам устройств новый набор инструментов для создания и настройки устройств на спиновых волнах.

Сначала немного предыстории: почему спиновые волны трудно увидеть

Спиновые волны, также называемые магнонами, представляют собой коллективные возбуждения магнитоупорядоченной системы. Они переносят информацию без джоулевых потерь тепла, характерных для обычных устройств на основе заряда, что делает их привлекательным носителем для энергоэффективных волновых вычислений.

Проблема заключается в масштабе. Внутри сложных магнитных структур на нанометровом уровне рассеяние спиновых волн и эволюцию их фазы было очень трудно наблюдать непосредственно в реальном пространстве. Существующие методы характеризации имеют свои ограничения: бриллюэновское рассеяние света, сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия и времяразрешенный магнитооптический эффект Керра — каждый из них имеет свои недостатки.

NV-центры предлагают дополнительный путь. Они могут одновременно обнаруживать магнитные текстуры, фазу спиновых волн и хиральность, что является именно тем сочетанием, которое здесь необходимо. Поэтому команда обратилась к сканирующему NV-зондовому микроскопу (SNVM) от CIQTEK и провела визуализацию спиновых волн в реальном пространстве на двух репрезентативных магнитных тонких пленках: иттрий-железном гранате (YIG) и лантан-стронциевом манганите (LSMO).

Рисунок 1: Изображения спиновых волн и магнитных доменов YIG и LSMO (измерено с помощью CIQTEK SNVM).

Результат 1: Что происходит вблизи магнитных точечных дефектов в пленке YIG

Сила рассеяния зависит от соотношения. То, насколько сильно спиновая волна рассеивается на точечном дефекте, зависит от относительного размера длины волны спиновой волны по сравнению с характерным размером дефекта. Когда длина волны близка к размеру дефекта, волновой фронт спиновой волны заметно изгибается и искажается. Когда длина волны намного больше размера дефекта, спиновая волна проходит практически без каких-либо помех.

Множественные дефекты создают интерференцию. Когда спиновая волна взаимодействует с несколькими точечными дефектами одновременно, возникает классическая картина волновой интерференции.

Эксперимент и теория совпадают. Магнитный дефект ведет себя как вторичный источник излучения, испускающий цилиндрические рассеянные волны. Общий фазовый сдвиг вблизи дефекта определяется амплитудами как падающей, так и рассеянной волны, а теоретическая модель воспроизводит особенности рассеяния, наблюдаемые в эксперименте.

Рисунок 2: Изображения спиновых волн вблизи магнитного точечного рассеивателя в пленке YIG.

Результат 2: Что происходит вблизи структур магнитных доменов в пленке LSMO

Впервые. Команда экспериментально наблюдала, впервые, как спиновые волны приобретают зигзагообразное искажение волнового фронта при пересечении полосовых доменов.

Почему появляется зигзаг. Соседние магнитные домены имеют противоположные направления равновесной намагниченности. Это заставляет направление градиента фазы меняться между соседними доменами, так что одновременно удовлетворяются как непрерывность фазы вблизи границы, так и дисперсионное соотношение.

Что показали симуляции. Анализ микромагнитного моделирования показал, что динамическая компонента намагниченности mx сохраняет тот же знак в соседних доменах, в то время как компонента my меняет знак. Компонента mx в основном сконцентрирована вблизи доменных стенок. Разница локального магнитного поля примерно в ±7 Гс между соседними доменами вызывает сдвиг частоты локального NV-резонанса.

Рисунок 3: Измерение невырожденного состояния антиферромагнитно связанных полосовых доменов и спиновых волн в LSMO.

Почему это исследование выделяется

В отличие от традиционных методов, основанных на инверсии магнитного поля, сканирующий NV-зондовый микроскоп CIQTEK позволил проводить одновременное измерение фазы спиновых волн и статических магнитных доменов in-situ. Это сочетание открывает новый способ изучения того, как магнитные дефекты, доменные границы и спиновые волны взаимодействуют друг с другом, и дает разработчикам магнонных устройств новый экспериментальный инструмент.

Исследование 2: Анионная модуляция обеспечивает ферромагнетизм при комнатной температуре в 2D-материале CuCrSe₂

Где опубликовано: SCIENCE CHINA Materials

Название статьи:Ферромагнетизм при комнатной температуре, индуцированный анионной модуляцией в двумерном CuCrSe₂

Исследовательская группа:Команда У Чанчжэна из Научно-технического университета Китая

Эта команда предложила стратегию «анионной модуляции». Путем селективного удаления анионов Se из CuCrSe₂ посредством вакуумного отжига они создали вакансии Se внутри материала.

Извлечение селена без разрушения кристалла

На цифрах здесь стоит остановиться подробнее. После 20 минут отжига коэффициент потери Se в нанолистах CuCrSe₂ составил около 10%, однако материал сохранил свою исходную слоистую кристаллическую структуру. Не наблюдалось явного структурного фазового перехода или второй фазы. Комплекс структурных характеристик подтвердил, что процесс отжига привел главным образом к удалению анионов Se.

Подтверждение магнетизма при комнатной температуре

Чтобы подтвердить, что материал является ферромагнитным при комнатной температуре, команда объединила несколько методов: магнитно-силовую микроскопию (МСМ), сканирующую микроскопию с NV-зондом (SNVM) и измерения аномального эффекта Холла (AHE). Среди них результаты SNVM четко показали локальный магнитный сигнал в отожженных нанолистах CuCrSe₂ при комнатной температуре, в то время как образцы, не подвергавшиеся отжигу, не показали явных магнитных доменов.

Рисунок 4: Тестирование ферромагнетизма при комнатной температуре материала A-CuCrSe₂.

Что происходит на атомном уровне

Теоретические расчеты выявили микроскопический механизм усиления магнетизма. Вакансии Se в определенных узлах могут изменять распределение магнитного момента окружающих атомов Cr, создавать более выраженное расщепление магнитного момента между атомами Cr и сужать энергетическую щель спин-орбитального обмена, что усиливает ферромагнитное суперобменное взаимодействие между Cr и Cr.

Положение вакансии имеет значение. Вакансии Se в разных положениях оказывают заметно различное влияние на магнетизм, и вакансии Se в выгодных узлах являются ключом к достижению высокотемпературного ферромагнетизма.

Почему это исследование выделяется

Работа показывает, что селективная настройка анионных вакансий в 2D-материалах может эффективно усиливать магнитные взаимодействия, сохраняя при этом исходную кристаллическую структуру. Это указывает на новый путь создания 2D-ферромагнитных материалов при комнатной температуре и предлагает важную точку отсчета для проектирования низкоразмерных магнитных материалов, предназначенных для спинтроники.

Исследование 3: Как поперечные магнитные поля смешивают спины NV-центров

Где было опубликовано: ACS Photonics

Название статьи: Оптически детектируемое спиновое смешивание азотно-вакансионных центров в алмазе

Исследовательская группа:Исследовательская команда Чжан Цзюня из Института полупроводников Китайской академии наук

Это исследование систематически раскрыло механизмы спинового смешивания, деградации оптического считывания и изменения зарядового состояния азотно-вакансионных (NV) центров в алмазе под воздействием поперечного магнитного поля. Результаты предлагают новый способ улучшения стабильности NV-сенсоров при их работе в сложных магнитных средах.

Проблема с полем, которое не выравнивается

Алмазные NV-центры являются важным классом твердотельных квантовых дефектов. Их можно инициализировать лазером, манипулировать ими с помощью микроволн и считывать через флуоресценцию, поэтому они широко используются в высокочувствительных измерениях магнитных полей, квантовой визуализации и квантовой обработке информации.

Однако в реальном устройстве приложенное магнитное поле редко идеально совпадает с осью NV. Когда поле имеет поперечную составляющую, оно смешивает различные спиновые подуровни NV-центра и ослабляет способность оптически поляризовать спины, что, в свою очередь, влияет на считывание флуоресценции и сигналы магнитного резонанса.

Что измерила команда

Исследователи использовали инструменты CIQTEK, связанные с ODMR, вместе с фотолюминесценцией (PL) и непрерывным оптически детектируемым магнитным резонансом (ODMR) методами для систематического измерения того, как алмазные NV-центры реагируют при различных магнитных полях и температурах.

ODMR работает путем мониторинга изменений флуоресценции, вызванных микроволновыми спиновыми переходами, что отражает, насколько хорошо NV-центр может инициализировать свой спин и насколько эффективно работает оптическое считывание. Эксперименты показали, что по мере усиления поперечного магнитного поля спиновые состояния ms=0 и ms=1 NV-центра смешиваются более заметно. Эффективность оптической поляризации падает, а вместе с ней ослабевает и контраст ODMR.

Рисунок 5: Измерение эффекта спинового смешивания NV⁻ в поперечном магнитном поле с использованием ODMR.

Критическое магнитное поле Bc

Чтобы количественно оценить, насколько хорошо NV-центр переносит поперечное магнитное поле, команда извлекла критическое магнитное поле Bc из кривых контраста PL, зависящих от поля. Этот параметр обозначает масштаб поля, при котором спиновое смешивание начинает существенно влиять на оптическое считывание. Большее значение Bc означает, что NV-центр более стабилен по отношению к поперечным магнитным полям. Меньшее значение Bc означает, что его оптическое считывание легче нарушить из-за несоосности поля.

Температура меняет картину

Исследование также показало, что критическое магнитное поле явно зависит от температуры. В определенном промежуточном диапазоне температур флуоресцентный отклик NV-центра был значительно подавлен.

Построив модель основного уравнения Линдблада, которая включает орбитальную структуру возбужденного состояния, фонон-ассистированную орбитальную релаксацию и спин-зависимый межсистемный переход, исследователи раскрыли, как температура изменяет динамику орбиталей возбужденного состояния и, благодаря этому, дополнительно настраивает спиновое смешивание, вызванное поперечным магнитным полем.

Зарядовые состояния завершают историю

Команда также отдельно разрешила бесфононную линию излучения отрицательно заряженного состояния NV⁻ и нейтрального состояния NV⁰. Они увидели, что при увеличении поперечного магнитного поля падение флуоресценции NV⁻ сопровождалось соответствующим изменением флуоресценции NV⁰. Другими словами, потеря сигнала, вызванная магнитным полем, не полностью обусловлена безызлучательными процессами. Она тесно связана с перераспределением между зарядовыми состояниями NV⁻ и NV⁰.

Почему это исследование выделяется

Эта работа объединяет спиновое смешивание, затухание контраста ODMR, температурные эффекты и динамику зарядовых состояний в единую картину. В ней предлагается экспериментальная метрика, которую можно использовать для оценки стабильности поперечного магнитного поля сенсоров на основе NV-центров, а также предоставляются важные ориентиры для проектирования направления магнитного поля, оптимизации рабочей температуры, контроля зарядовых состояний и улучшения характеристик оптического считывания.

Более пристальный взгляд на прибор: сканирующий NV-зондовый микроскоп (SNVM)

CIQTEK приглашает вас попробовать сканирующий NV-зондовый микроскоп (SNVM) — передовую в мире систему для визуализации магнитных полей на наноуровне. Ключевые характеристики:

• Диапазон температур: от 1,8 K до 300 K

• Векторное магнитное поле: 9 / 1 / 1 Тл

• Магнитное пространственное разрешение: 10 нм

Доступны две конфигурации:

• Комнатно-температурный SNVM

• Низкотемпературный SNVM

Попробуйте сами: бесплатное тестирование образцов и выездные визиты

CIQTEK обладает обширным опытом в тестировании образцов и поддерживает как выездные визиты, так и бесплатные измерения образцов. Если у вас есть образец, который вы хотели бы протестировать, напишите нашим инженерам на sunh@ciqtek.com, и мы займемся этим.

Хотите узнать больше о наших продуктах и о том, как они могут помочь в вашей работе? Свяжитесь с нами в любое время:

Телефон: +86 400-0606-976

Email: gylz@ciqtek.com

Часто задаваемые вопросы

Что такое ODMR?

Оптически детектируемый магнитный резонанс (ODMR) — это метод характеризации в науке о спинах в твердых телах. Он работает путем отслеживания изменений флуоресценции, вызванных спиновыми переходами под воздействием микроволнового излучения, что делает его полезным для визуализации магнитных полей микромасштаба и анализа спиновой динамики.

Что может измерять сканирующий NV-зондовый микроскоп (SNVM)?

SNVM использует NV-центры для обнаружения и визуализации магнитных полей на наноуровне. Как показывает описанная выше работа, он может одновременно измерять фазу спиновых волн и статические магнитные домены, что позволяет исследователям изучать взаимодействие магнитных дефектов, доменных границ и спиновых волн. Система также поддерживает визуализацию в диапазоне температур от 1,8 K до 300 K.

Почему ферромагнетизм при комнатной температуре в 2D-материалах так важен?

Потому что это означает, что магнетизм сохраняется без дорогостоящего охлаждения. В работе с CuCrSe₂ селективное удаление анионов Se посредством вакуумного отжига усилило магнитные взаимодействия, сохранив при этом слоистую кристаллическую структуру, что указывает на возможность создания практичных 2D-ферромагнитных материалов для спинтроники.

Почему стабильность поперечного магнитного поля важна для сенсоров на основе NV-центров?

Реальные устройства редко создают магнитное поле, которое идеально совпадает с осью NV-центра. Поперечная компонента смешивает спиновые подуровни NV-центра, ослабляет оптическую поляризацию и снижает контраст ODMR. Критическое магнитное поле Bc дает инженерам измеримый способ сравнить, насколько хорошо различные NV-центры справляются с таким типом рассогласования полей.

Давайте продолжим общение

Подписывайтесь на нас, чтобы получать больше новостей отрасли и обновлений исследований из мира сенсорики. Если вы хотите узнать, как наши приборы ODMR могут быть полезны в вашей работе, свяжитесь с нами по адресу gylz@ciqtek.com или позвоните по телефону +86 400-0606-976.