國儀量子NV色心，解鎖二維材料與自旋波探測新可能

光探測磁共振（ODMR）作為固態自旋量子科學領域的重要表征手段，在微觀磁場成像、自旋動力學解析等方面發揮著關鍵作用。國儀量子自主研發的掃描NV探針顯微鏡（SNVM）、量子鉆石單自旋譜儀等ODMR系列儀器，近期助力科研團隊在自旋波成像、二維材料室溫鐵磁性以及NV色心自旋混合機制等前沿方向取得多項重要進展。

工作1｜掃描NV探針成像揭示自旋波傳播機制

中科院物理所李洋沐課題組在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy期刊發表研究論文《Visualizing modified spin-wave wavefronts near magnetic defects and domains using nitrogen-vacancy centers》，研究團隊使用掃描NV成像技術，在磁性薄膜（YIG和LSMO）中直接對納米級磁缺陷及反鐵磁耦合條狀磁疇附近的自旋波傳播與波前進行了實空間成像與相位分析，揭示了波長選擇性散射及波形調制規律，為自旋波器件的設計與調控提供了新方法。

自旋波（磁子）是磁有序體系的集體激發，能夠規避傳統電荷器件帶來的焦耳熱損耗，是低功耗波基信息計算的重要載體。但納米尺度復雜磁結構下，自旋波的散射、相位演化的直接實空間觀測仍存在很大挑戰。現有表征手段（布里淵光散射、掃描透射X射線顯微、時間分辨磁光克爾）各有局限；NV色心技術可以同時探測磁紋理、自旋波相位與手性，是互補的新方案。研究團隊利用國儀量子掃描NV探針顯微鏡（SNVM），對釔鐵石榴石（YIG）和錳鍶氧化物（LSMO）兩種典型磁性薄膜展開了實空間自旋波成像研究。

圖1：YIG與LSMO的自旋波及磁疇圖像（測試儀器：國儀量子SNVM）

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磁性點缺陷附近的自旋波（YIG薄膜）：

• 自旋波散射強弱由自旋波波長與點狀散射缺陷特征尺寸的相對比值決定；當波長與缺陷尺寸接近時，自旋波波前發生明顯彎折畸變；當波長遠大于缺陷尺寸時，自旋波幾乎不受散射擾動；

• 自旋波與多個點缺陷相互作用會產生經典的波狀干涉圖樣；

• 實驗測量與理論模型的吻合：磁缺陷等效為二次輻射源產生柱面散射波，缺陷附近總相位偏移由入射波與散射波的振幅共同決定，理論可以復現實驗散射特征。

圖2：YIG薄膜中靠近磁性點散射體處的自旋波圖像

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磁疇結構附近的自旋波（LSMO薄膜）

• 實驗觀測到自旋波在穿過條狀磁疇時呈現出鋸齒狀（Zig-zag）的波前畸變；

• 相鄰磁疇中相反的平衡態磁化方向，迫使相位梯度方向在相鄰磁疇間發生反轉，以同時滿足邊界附近的相位連續性與色散關系；

• 微磁學模擬分析發現：動態磁化分量m_x在相鄰磁疇間保持相同符號，而m_y分量則發生符號反轉；m_x主要集中在磁疇壁附近；相鄰磁疇間約±7 G的局部磁場差異導致了局部NV共振頻率的偏移。

圖3：LSMO中反鐵磁耦合條帶疇區與自旋波的非簡并態測量

與依賴磁場反演的傳統方法不同，依托國儀量子掃描NV探針顯微鏡，實現了自旋波相位與靜態磁疇的同步原位測量，為研究磁缺陷、磁疇邊界與自旋波之間的相互作用提供了新手段，為磁子器件研發提供新實驗工具。

工作2｜陰離子調制實現二維CuCrSe?室溫鐵磁性

中國科學技術大學吳長征團隊在SCIENCE CHINA Materials期刊發表研究論文《Anion modulation induced room-temperature ferromagnetism in two-dimensional CuCrSe₂》，研究團隊提出了“陰離子調制"策略，通過真空退火選擇性脫除CuCrSe?中的Se陰離子，在材料內部引入Se空位。

研究發現，退火20 min后，CuCrSe?納米片中的Se損失比例約為10%，但材料仍保持原有的層狀晶體結構，未出現明顯的結構相變或第二相。多種結構表征結果共同證明，退火過程主要引起了Se陰離子的脫除。

為驗證材料在室溫下的鐵磁性，研究團隊綜合運用了磁力顯微鏡（MFM）、掃描NV探針顯微鏡（SNVM）以及反常霍爾效應（AHE）測量。其中，SNVM測試結果清晰地展示了退火后CuCrSe?納米片在室溫下的局域磁信號，而未經退火的樣品則無明顯磁疇。

圖4：A-CuCrSe?材料的室溫鐵磁性測試

理論計算揭示了這一磁性增強的微觀機制：特定位點的Se空位能夠改變周圍Cr原子的磁矩分布，使Cr原子之間產生更明顯的磁矩分裂，并縮小自旋軌道之間的交換能隙，從而增強Cr-Cr之間的鐵磁超交換作用。不同位置的Se空位對磁性的調控效果存在明顯差異，其中優勢位點的Se空位是實現高溫鐵磁性的關鍵。

該研究表明，選擇性調控二維材料中的陰離子空位，可以在保持原有晶體結構的同時有效增強磁相互作用，為制備室溫二維鐵磁材料提供了新的思路，也為面向自旋電子學的低維磁性材料設計提供了重要參考。

工作3｜橫向磁場下NV色心自旋混合機制

半導體研究所張俊研究團隊在ACS Photonics發表研究論文《Optically Detected Spin Mixing of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond》，系統揭示了橫向磁場作用下金剛石氮-空位色心（NV center）的自旋混合、光學讀出衰減及電荷態轉換機制，為提升NV量子傳感器在復雜磁場環境下的工作穩定性提供了新思路。

金剛石NV色心是一類重要的固態量子缺陷，具有可通過激光初始化、微波操控和熒光讀出的特點，已廣泛應用于高靈敏磁場測量、量子成像和量子信息處理。在實際器件中，外加磁場往往難以與NV軸嚴格對齊。當磁場存在橫向分量時，會混合NV不同的自旋子能級，削弱其光學自旋極化能力，使熒光讀出和磁共振信號受到影響。

研究人員借助國儀量子ODMR相關設備，結合光致發光（PL）和連續波光探測磁共振（ODMR）技術，對金剛石NV色心在不同磁場和溫度下的響應進行了系統測量。ODMR通過監測微波驅動自旋躍遷引起的熒光變化，反映NV色心的自旋初始化和光學讀出能力。實驗發現，隨著橫向磁場增強，NV色心的m_s=0與m_s=1自旋態發生更加明顯的混合，導致光學極化效率下降，ODMR對比度隨之減弱。

圖5：使用ODMR測試NV?在橫向磁場下的自旋混合效應

為定量評價NV對橫向磁場的耐受能力，研究團隊從磁場依賴的PL對比度曲線中提取了臨界磁場B_c。該參數表征自旋混合開始顯著影響光學讀出的特征磁場尺度：B_c越大，說明NV對橫向磁場越穩定；B_c越小，則表明其光學讀出更容易受到磁場失配的影響。

研究還發現，臨界磁場具有明顯的溫度依賴性。在特定中間溫區，NV的熒光響應受到顯著抑制。通過建立包含激發態軌道結構、聲子輔助軌道弛豫、自旋依賴系間竄越等過程的Lindblad主方程模型，研究人員揭示了溫度通過改變激發態軌道動力學，進一步調控橫向磁場誘導自旋混合的物理機制。

此外，研究團隊分別解析了負電荷態NV?和中性電荷態NV?的零聲子線發光。結果顯示，橫向磁場增強時，NV?熒光減弱的同時伴隨著NV?熒光的相應變化，表明磁場引起的信號損失并非全部來自非輻射過程，而是與NV?/NV?電荷態之間的重新分配密切相關。

該研究將自旋混合、ODMR對比度衰減、溫度效應和電荷態動力學聯系起來，提出了可用于評價NV量子傳感器橫向磁場穩定性的實驗指標，為傳感器的磁場方向設計、工作溫度優化、電荷態調控和光學讀出性能提升提供了重要參考。

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