從磁成像到噪聲譜學(xué)：掃描NV顯微鏡正在重新定義納米磁學(xué)觀測(cè)范式

NV量子技術(shù)，解鎖磁學(xué)領(lǐng)域的新視角

在納米磁學(xué)的領(lǐng)域中，引人入勝的不僅是單個(gè)磁矩的方向，而是不同尺度磁相互作用如何產(chǎn)生復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——從超出晶格周期的超摩爾紋（Super-moiré），到由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）手性穩(wěn)定的斯格明子（Skyrmions）。常規(guī)的磁成像技術(shù)往往面臨困境：要么能夠觀察靜態(tài)磁疇但無(wú)法捕捉相互作用的細(xì)節(jié)，要么能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)但空間分辨率不足。掃描氮空位顯微鏡（Scanning NV Microscopy, SNVM）依靠其獨(dú)特的量子傳感技術(shù)，正在突破這些限制。

近日討論的兩項(xiàng)重要研究，呈現(xiàn)了掃描氮空位顯微鏡（SNVM）的兩種不同觀測(cè)技術(shù)：一項(xiàng)研究利用矢量磁成像技術(shù)揭示了超越常規(guī)摩爾周期的復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)；另一項(xiàng)研究則通過(guò)熱自旋波噪聲譜學(xué)揭示了磁相互作用的復(fù)雜性。這些成果共同證實(shí)了量子傳感器不僅可以進(jìn)行成像，還能進(jìn)行診斷——從空間到頻率，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，全面揭示納米磁學(xué)的秘密。

NV技術(shù)遭遇“超結(jié)構(gòu)"——靜態(tài)磁成像的新高度

當(dāng)二維材料以較小的角度相互堆疊時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生莫爾超晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，并引發(fā)多種新穎的物理現(xiàn)象，例如關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)、拓?fù)湎唷⒊瑢?dǎo)性和磁性。

科研人員將雙層 CrI3（tDB CrI3）材料以微小的角度旋轉(zhuǎn)排列，借助SNVM技術(shù)的空間分辨率和靈敏度，結(jié)合算法，成功觀察到周期約300納米的“超摩爾紋"反鐵磁結(jié)構(gòu)，其周期是底層晶格摩爾波長(zhǎng)的近十倍，并提供了反鐵磁Néel型斯格明子存在的證據(jù)。這項(xiàng)成果被選為Nature Nanotechnology雜志的封面文章。

NV色心通過(guò)檢測(cè)局部磁場(chǎng)的塞曼效應(yīng)引起的分裂，利用反演技術(shù)，成功構(gòu)建了外部磁化強(qiáng)度的納米級(jí)圖像。在1.1°的旋轉(zhuǎn)角度下，研究小組能夠清楚地識(shí)別出：

覆蓋多個(gè)摩爾晶格單元的反鐵磁Néel型斯格明子

百納米寬度的擴(kuò)展磁疇壁

鐵磁與反鐵磁共存區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)

這項(xiàng)研究突破了“磁結(jié)構(gòu)需與晶格周期一致"的舊有觀念。通過(guò)大規(guī)模原子級(jí)模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)層間交換作用、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）與磁各向異性之間的競(jìng)爭(zhēng)能夠產(chǎn)生超出摩爾周期的拓?fù)浯判颉呙杓{米真空磁力顯微鏡（SNVM）的高精度空間分辨率（小于30納米）允許直接觀察到單個(gè)拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，為深入理解摩爾磁學(xué)中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

在tDB CrI3體系中，磁序的競(jìng)爭(zhēng)性變化得到了詳細(xì)展示。a，展示了掃描納米矢量磁測(cè)量（SNVM）技術(shù)的流程圖。b，描繪了在接近零扭曲角時(shí)，莫爾調(diào)制對(duì)磁相互作用的影響。c，闡釋了在較大扭曲角下磁序競(jìng)爭(zhēng)的情況。d-f，分別展示了在0.5°（d）、1.1°（e）和2°（f）扭曲角下，450納米區(qū)域通過(guò)原子模擬得到的磁化強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化圖像。g，呈現(xiàn)了與莫爾堆疊相關(guān)的拓?fù)浯判越Y(jié)構(gòu)圖。

在tDB CrI3中，特定織構(gòu)下出現(xiàn)了鐵磁疇。a、b，展示了0.5°和1.1°扭轉(zhuǎn)角時(shí)的二維磁化圖，揭示了鐵磁（FM）和反鐵磁（AFM）疇的無(wú)規(guī)律分布。其中，鐵磁疇的磁化強(qiáng)度達(dá)到30 μB nm-2，而其他區(qū)域的磁化強(qiáng)度接近于0 μB nm-2。c，展示了tDB CrI3樣品在0.5°（紅點(diǎn)）和1.1°（黑點(diǎn)）扭轉(zhuǎn)角時(shí)的鐵磁疇壁線切割圖，其寬度分別為58.5 nm和118.2 nm。d，對(duì)b圖中選定的鐵磁區(qū)域進(jìn)行雜散場(chǎng)圖分析，扣除平滑多項(xiàng)式背景后，揭示了鐵磁疇內(nèi)部的相關(guān)場(chǎng)變化特征。e，對(duì)d圖中的場(chǎng)圖進(jìn)行二維自相關(guān)分析，結(jié)果顯示六邊形織構(gòu)，其長(zhǎng)邊的相關(guān)長(zhǎng)度約為340 nm，這一長(zhǎng)度超過(guò)了1.1°扭轉(zhuǎn)角下的莫爾磁周期36.4 nm。

在tDB CrI3材料中，AFM Néel型斯格明子的生成情況得到了研究。a，展示了1.1° tDB CrI3樣品在經(jīng)歷500 mT磁場(chǎng)冷卻后，在4 K溫度下拍攝的雜散場(chǎng)圖。b-d，進(jìn)一步分析了a圖中選定區(qū)域在不同溫度（4 K、25 K和35 K）下的二維自相關(guān)圖，這些圖像揭示了磁性結(jié)構(gòu)在較高溫度下依然保持穩(wěn)定。e，通過(guò)原子級(jí)別的模擬，研究了tDB CrI3中包含hBN/CrI3界面DMI的情況，觀察到Néel型斯格明子主要在第三層和第四層形成。f-h，分別展示了Bx、By和Bz三個(gè)方向的場(chǎng)分布，這些場(chǎng)的分布與模擬中預(yù)測(cè)的Néel型斯格明子相吻合，特別是Bz方向的分布顯示了大約60 nm的特征尺寸。

NV熱噪聲中隱藏的螺旋信息——?jiǎng)討B(tài)松弛譜分析

將該項(xiàng)研究比作為磁性結(jié)構(gòu)拍攝清晰圖像，而當(dāng)前研究則被視作“傾聽(tīng)磁性的脈搏"。由法國(guó)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于NV色心的縱向弛豫時(shí)間（T1）的掃描噪聲譜技術(shù)，通過(guò)分析局部熱自旋波的噪聲，能夠辨別DMI的正負(fù)，并為磁結(jié)構(gòu)的Néel或Bloch特性提供重要信息。

在磁結(jié)構(gòu)中存在手性作用時(shí)，自旋波的傳播特性呈現(xiàn)出非對(duì)稱性，表現(xiàn)為不同方向傳播的自旋波頻率有所差異。這種差異性使得在熱平衡狀態(tài)下，某些特定方向的自旋波模式更為常見(jiàn)，進(jìn)而在NV色心處引起與方向相關(guān)的磁信號(hào)變化。

研究人員通過(guò)觀察NV色心熒光強(qiáng)度的變化與T1衰減的關(guān)系，注意到以下現(xiàn)象：

左側(cè)Néel域壁：導(dǎo)致強(qiáng)烈的噪聲信號(hào)（T1時(shí)間顯著減少，熒光熄滅現(xiàn)象突出）

右手Néel疇壁：其噪聲信號(hào)相對(duì)較弱。

斯格明子的輪廓特征：磁噪聲的各向異性分布模式，有助于區(qū)分Néel疇壁和Bloch疇壁。

該技術(shù)避免了對(duì)靜態(tài)雜散場(chǎng)的精確測(cè)量，轉(zhuǎn)而利用高頻磁噪聲（約GHz）來(lái)靈敏地區(qū)分磁結(jié)構(gòu)的手性。在低磁矩材料（例如反鐵磁體）或存在強(qiáng)烈熱漲落的系統(tǒng)中，這種“T1成像"技術(shù)通常比直接的靜態(tài)磁場(chǎng)成像更為穩(wěn)定。

制備了具有左旋Néel型域壁的人造反鐵磁樣品。（a）通過(guò)SNVM掃描得到的噪聲譜圖確認(rèn)了域壁的顯現(xiàn)。（b）展示了獲得弛豫時(shí)間曲線的測(cè)量過(guò)程圖示。（c）、（d）分別在域（c）和壁（d）上方測(cè)量得到的弛豫時(shí)間曲線，觀察到壁上方的T1值明顯減少。

SNVM技術(shù)揭示了具有右手性Néel疇壁的合成反鐵磁樣品的磁場(chǎng)和磁噪聲特征。結(jié)果顯示，這些磁疇壁區(qū)域的噪聲水平相對(duì)較低。

噪聲圖像揭示了三個(gè)斯格明子的存在，以及沿其邊界不同種類斯格明子所預(yù)期的噪聲模式。

NV技術(shù)結(jié)合：在空間和頻率兩個(gè)層面的整合

這兩項(xiàng)研究共同描繪了SNVM作為多功能量子傳感設(shè)備的綜合視圖：

深層次的價(jià)值體現(xiàn)在：結(jié)合這兩種模式后，科研人員能夠同時(shí)掌握“形態(tài)"和“本質(zhì)"——不僅能夠定位斯格明子的具體位置（空間成像），還能了解其穩(wěn)定的相互作用機(jī)制（噪聲譜學(xué)）。這種“形態(tài)與本質(zhì)并重"的分析能力，是傳統(tǒng)磁性測(cè)量技術(shù)所難以實(shí)現(xiàn)的。

NV 進(jìn)入量子磁學(xué)領(lǐng)域的“全面信息"階段

在探索二維磁體中超摩爾斯格明子以及室溫金屬薄膜中的手性自旋波的過(guò)程中，SNVM技術(shù)正在拓展我們對(duì)納米磁性領(lǐng)域的理解。盡管這兩項(xiàng)研究一個(gè)致力于揭示極低溫度下的量子磁性現(xiàn)象，另一個(gè)關(guān)注于室溫條件下的實(shí)用檢測(cè)，它們共同預(yù)示著一個(gè)共同的發(fā)展趨勢(shì)：量子傳感器將逐漸成為凝聚態(tài)物理和自旋電子學(xué)領(lǐng)域研究的標(biāo)準(zhǔn)配備。

對(duì)于在二維材料、拓?fù)浯艑W(xué)、反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究的科學(xué)家而言，他們利用從靜態(tài)磁結(jié)構(gòu)成像到動(dòng)態(tài)噪聲譜分析的磁檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)成為開(kāi)啟量子磁學(xué)新領(lǐng)域的一把鑰匙。未來(lái)的方向可能包括探測(cè)反鐵磁自旋波或關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中的自旋玻璃態(tài)。無(wú)論如何，由量子探針引發(fā)的磁學(xué)革新，目前僅處于起步階段。

參考文獻(xiàn)：

1. Wong, K. C. et al. Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets. Nat. Nanotechnol. 21, 359–365 (2026)

2. Finco, A. et al. Thermal Spin Wave Noise as a Probe for the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction. Phys. Rev. Lett. 135, 136703 (2025).

NV 誠(chéng)邀體驗(yàn) 納米級(jí)磁成像系統(tǒng)

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通過(guò)監(jiān)測(cè)NV熒光強(qiáng)度隨T₁衰減的變化，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：

左手Néel疇壁：產(chǎn)生強(qiáng)噪聲信號(hào)（T₁顯著縮短，熒光猝滅明顯）

右手Néel疇壁：噪聲信號(hào)顯著更弱

斯格明子輪廓：噪聲分布各向異性分布，可據(jù)此區(qū)分Néel型與Bloch型

這種方法無(wú)需精確測(cè)量靜態(tài)雜散場(chǎng)，而是通過(guò)高頻磁噪聲（~GHz）靈敏地識(shí)別磁結(jié)構(gòu)的手性。對(duì)于低磁矩材料（如反鐵磁體）或強(qiáng)熱漲落體系，這種"T₁成像"模式往往比直接靜磁場(chǎng)成像更具魯棒性。

合成具有左手性Néel疇壁的合成反鐵磁樣品。（a）SNVM掃描得到噪聲譜圖揭示了疇壁的存在。（b）獲取弛豫時(shí)間曲線的測(cè)量序列示意圖。（c）、（d）在疇（c）上方或壁（d）上方測(cè)量的弛豫時(shí)間曲線，顯示壁上方的T₁顯著降低。

SNVM得到右手性Néel疇壁的合成反鐵磁樣品的磁場(chǎng)分布與磁噪聲分布。發(fā)現(xiàn)磁疇壁的噪聲很低。

噪聲圖顯示了三個(gè)斯格明子以及不同類型斯格明子沿其輪廓的預(yù)期噪聲分布。

NV   技術(shù)融合：空間與頻率的雙重維度

這兩篇工作共同展示了SNVM作為多模態(tài)量子傳感器的完整圖景：

更深層的意義在于：當(dāng)這兩種模式結(jié)合，研究者將能同時(shí)獲得"形"與"魂"——既知道斯格明子在哪里（空間成像），又知道它由什么相互作用穩(wěn)定（噪聲譜學(xué)）。這種"形神兼?zhèn)?的表征能力，正是傳統(tǒng)磁測(cè)量技術(shù)難以企及的。

NV   邁向量子磁學(xué)的"全信息"時(shí)代

從扭轉(zhuǎn)二維磁體中的超摩爾斯格明子，到室溫金屬薄膜中的手性自旋波，SNVM正在重新定義我們對(duì)納米磁性的認(rèn)知邊界。這兩項(xiàng)工作雖然一個(gè)追求極低溫下的量子磁性奇觀，一個(gè)面向室溫器件應(yīng)用的實(shí)用檢測(cè)，但它們都指向同一個(gè)未來(lái)：量子傳感器將成為凝聚態(tài)物理和自旋電子學(xué)研究的標(biāo)配工具。

對(duì)于那些在二維材料、拓?fù)浯艑W(xué)、反鐵磁自旋電子學(xué)領(lǐng)域探索的研究者來(lái)說(shuō)，憑借從靜態(tài)磁結(jié)構(gòu)成像到動(dòng)態(tài)噪聲譜分析的磁檢測(cè)能力，逐漸成為一把打開(kāi)量子磁學(xué)新視界的鑰匙。下一步，會(huì)是什么？ 或許是探測(cè)反鐵磁自旋波，或許是探測(cè)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中的自旋玻璃態(tài)。無(wú)論如何，這場(chǎng)由量子探針引發(fā)的磁學(xué)革命，才剛剛開(kāi)始。

參考文獻(xiàn)：

1. Wong, K. C. et al. Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets. Nat. Nanotechnol. 21, 359–365 (2026)

2. Finco, A. et al. Thermal Spin Wave Noise as a Probe for the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction. Phys. Rev. Lett. 135, 136703 (2025).

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