本文首次實(shí)現(xiàn)了金剛石對(duì)頂砧中高壓環(huán)境下NV中心自旋量子態(tài)的相干調(diào)控，并將該技術(shù)用于微米級(jí)樣品的高壓原位靈敏磁性測(cè)量，空間分辨率達(dá)2微米，磁測(cè)量靈敏度達(dá)20 μT/Hz1/2。作者利用這種技術(shù)研究了永磁材料Nd2Fe14B的常溫高壓下的鐵磁淬滅行為。

金剛石對(duì)頂砧中NV中心實(shí)現(xiàn)的高壓原位磁測(cè)量

研究背景

壓力作為一個(gè)基本物理參數(shù)，可以有效縮短物質(zhì)中原子的間距，改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成全新的物質(zhì)狀態(tài)。高壓條件對(duì)于物質(zhì)科學(xué)研究具有特殊的重要性，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)存在狀態(tài)和性能的有效調(diào)控。然而，以金剛石對(duì)頂砧為代表的高壓設(shè)備中樣品尺寸通常只有微米量級(jí)，高壓條件下原位靈敏的磁性表征一直缺少有效的辦法，諸如高壓超導(dǎo)的抗磁行為以及其他更為復(fù)雜的磁性相變行為很難得到有效的表征，成為高壓科學(xué)研究領(lǐng)域亟待解決的難題。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所于曉輝副研究員、劉剛欽副研究員、潘新宇研究員、洪芳副研究員及研究生商彥興等用金剛石氮空位中心(nitrogen-vacancy center, NV 中心)解決了高壓下的弱磁測(cè)量問(wèn)題。NV中心是金剛石中的一種點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)，由一個(gè)替代位氮原子和一個(gè)近鄰空位組成，它的自旋量子態(tài)可被激光和微波脈沖高效地極化、操控和讀出。當(dāng)NV中心所處磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)靈敏地反應(yīng)在其光探磁共振譜線上。在這個(gè)工作中，研究人員將帶有NV中心的金剛石微米顆粒放置于金剛石對(duì)頂砧中，并引入金屬鉑天線發(fā)射微波調(diào)控脈沖（圖1）；通過(guò)長(zhǎng)焦物鏡極化和讀出高壓腔內(nèi)NV自旋量子態(tài)，從而得到金剛石對(duì)頂砧中磁性樣品附近的局域磁性信號(hào)。他們實(shí)現(xiàn)的空間分辨率約為2微米，磁測(cè)量靈敏感達(dá)20 μT/Hz1/2，并且首次實(shí)現(xiàn)了高壓環(huán)境下NV中心自旋量子態(tài)的相干調(diào)控（圖2）。利用這種方法，他們系統(tǒng)研究了典型永磁材料Nd2Fe14B的壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)磁性演化行為（圖3），成功在10 GPa附近觀察到鐵磁-順磁的相變現(xiàn)象（圖4）。相變壓力和之前相關(guān)工作的結(jié)果一致。

研究意義及重要性

本文的研究結(jié)果為金剛石對(duì)頂砧中磁性測(cè)量開(kāi)辟了一條全新的思路，為高壓下的超導(dǎo)研究、磁性相變行為研究創(chuàng)造了新的條件。同時(shí)，這種NV中心量子探針技術(shù)還能夠應(yīng)用于高壓下壓力及溫度的靈敏表征，對(duì)金剛石對(duì)頂砧中弱信號(hào)的原位探測(cè)具有重要意義。

圖1. 金剛石對(duì)頂砧中磁性樣品和NV中心量子探針裝載示意圖。NV中心自旋量子態(tài)可被532 nm激光極化，被金屬鉑天線傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)所調(diào)控，最后可以通過(guò)熒光信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)讀出。

圖2. 高壓下集群NV電子自旋的高速調(diào)控——Rabi振蕩信號(hào)。

圖3. 集群NV中心光探磁共振信號(hào)隨壓強(qiáng)的變化。其共振頻率受所處位置磁場(chǎng)強(qiáng)度決定。當(dāng)壓強(qiáng)引起樣品磁性變化的時(shí)候，譜線會(huì)有對(duì)應(yīng)的移動(dòng)。

圖4. Nd2Fe14B樣品磁性隨壓強(qiáng)的變化。黑色表示加壓過(guò)程，紅色表示降壓過(guò)程。由于測(cè)試所加外磁場(chǎng)較小，高壓退磁后，降壓重新建立起來(lái)的樣品磁場(chǎng)強(qiáng)度小于原始的磁場(chǎng)強(qiáng)度。