一顆鉆石，能做什么？

在珠寶店里，它是永恒的承諾。在實驗室里，它是窺探微觀世界的"量子之眼"。

最近，基于國儀量子金剛石NV平臺的三項最新研究成果相繼發(fā)表，研究方向橫跨反鐵磁自旋輸運、量子傳感增強與拓撲磁結構探測。

從微觀磁子弛豫機制，到納米尺度斯格明子成像，再到NV磁強計靈敏度提升，這顆“量子鉆石"正逐漸成為前沿材料研究中的關鍵工具。

NV

南方科技大學：磁子自旋為什么會“丟失"？

反鐵磁絕緣體中的磁子（magnon）自旋輸運，長期以來存在一個核心謎題：磁子自旋是如何"丟失"的？這一問題長期限制著反鐵磁自旋電子學的發(fā)展。

南方科技大學李軍學教授團隊與北京師范大學沈卡教授合作，利用非局域自旋輸運測量，在兩種典型的單軸反鐵磁絕緣體——Cr₂O₃和α-Fe₂O₃中，實驗觀測到了D'yakonov-Perel'（DP）型磁子自旋弛豫機制。

關鍵發(fā)現(xiàn)

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在自旋翻轉轉變前，磁場誘導的一階諧波非局域信號增強高達499%（Cr₂O₃）和459%（α-Fe₂O₃）

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 磁子自旋擴散長度隨磁場增強并在0.8 T以上飽和，與DP模型預測高度吻合

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零場磁子自旋擴散長度在Cr₂O₃中可達2.0 μm（120 K）

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這一發(fā)現(xiàn)為低耗散反鐵磁自旋電子器件的設計提供了全新理論框架。正如論文中所強調的，掃描氮空位中心顯微鏡（SNVM）在表征反鐵磁疇結構方面發(fā)揮了關鍵作用——盡管Cr₂O₃(10-10)晶面因面內自旋子晶格的弱雜散場而難以成像，但在實驗中研究團隊結合SNVM對反鐵磁疇結構進行了輔助表征。相比傳統(tǒng)磁成像方法，NV探針能夠在弱雜散場條件下提供更高靈敏度的局域磁信息，為理解磁子輸運與疇結構之間的關系提供了重要依據(jù)。文章近期發(fā)表在《Nature Communications 》

NV

華南師范大學：一個5微米小球，如何讓NV磁強計靈敏度提升兩倍？

量子傳感器的靈敏度，往往卡在"光"這一步——金剛石NV色心的熒光光子收集效率，傳統(tǒng)共聚焦系統(tǒng)通常不足0.5%。

華南師范大學團隊另辟蹊徑：在金剛石表面貼一層SiO₂微球，就像給NV色心戴了一副"聚光眼鏡"

核心創(chuàng)新

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5 μm微球實現(xiàn)熒光收集效率提升86.4％

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單微球修飾使磁強計靈敏度提升2.25倍

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單層密排多微球構型靈敏度提升達2.32倍

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微球的雙重魔法在于：入射端通過光子納米射流增強532 nm泵浦激光強度（最高5.24倍）；出射端利用光學可逆性將發(fā)散的637 nm熒光準直為定向光束，突破金剛石高內全反射角的限制。

研究團隊使用國儀量子SNVM完成了全部實驗驗證。ODMR譜線對比顯示， 修飾后的信號對比度顯著增強，而線寬和中心頻率無系統(tǒng)性偏移——表明微球結構主要作用于光學收集過程，并未觀察到明顯譜線漂移或額外線寬展寬。

文章近期發(fā)表在《Optics & Laser Technology》

(a) 不同尺寸二氧化硅微球修飾金剛石表面的熒光光子收集率（紅色柱形），與未修飾表面（藍色柱形）的對比。

(b) 熒光收集效率提升百分比的仿真結果與實驗結果對比。

(c) 采用不同直徑微球后的信號對比度提升效果（紅色曲線），以及連續(xù)波光探測磁共振（CW-ODMR）磁力計在不同微球尺寸下的靈敏度提升因子。

(d)、(e)、(f) 分別給出無外磁場條件下，不同直徑下微球修飾金剛石表面的 ODMR 譜（紅色曲線），與未修飾表面（藍色曲線）的對比。

(g)、(h)、(i) 對 NV 色心施加定向磁場后，測得的 ODMR 譜曲線結果。

NV

廣東工業(yè)大學： 磁矩已經(jīng)互相抵消，為何還能測到霍爾信號？

斯格明子（skyrmion）是一種納米尺度的特殊磁結構，被認為是下一代高密度、低功耗磁存儲器件的重要候選。

傳統(tǒng)鐵磁斯格明子雖然容易操控，卻存在一個問題：在電流驅動下，它會發(fā)生橫向“漂移"，容易撞向器件邊界而消失。

于是，研究人員想到了一種更穩(wěn)定的結構——合成反鐵磁斯格明子（SAF skyrmion）。它由上下兩層磁矩方向相反的結構組成，總磁矩幾乎互相抵消，因此理論上可以消除這種漂移效應。

但新的問題來了：

如果磁矩已經(jīng)“互相抵消"，系統(tǒng)還會不會產(chǎn)生拓撲霍爾效應（THE）？

廣東工業(yè)大學團隊在[Pt/Co/Ru]₂多層膜體系中，在補償?shù)?/span>SAF斯格明子體系中觀測到了非零拓撲霍爾信號。

關鍵發(fā)現(xiàn)

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在非補償與補償SAF體系中均觀測到非零THE

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零場下穩(wěn)定SAF斯格明子尺寸約150 nm

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界面磁鄰近效應與原子擴散，會在Pt/Ru層誘導額外磁矩，從而產(chǎn)生額外THE貢獻

在這項工作中，SNVM掃描NV探針顯微鏡成功分辨出了零場條件下SAF條紋疇與斯格明子的共存狀態(tài)。相比傳統(tǒng)MFM依賴較強雜散場信號，NV探針能夠更靈敏地探測弱磁結構，這也是其在反鐵磁與補償磁體系中的重要優(yōu)勢。

文章近期發(fā)表在《Applied Physics Letters》

NV

量子金剛石：從"科研工具"到"科學伙伴"

三篇論文，三個領域，同一種技術底座。

從反鐵磁自旋電子學的基礎物理探索，到量子傳感靈敏度的工程優(yōu)化，再到拓撲磁性材料的器件應用——國儀量子金剛石NV設備正在證明：量子精密測量不是實驗室里的"奢侈品"，而是驅動材料科學前沿的"基礎設施"。當越來越多“看不見"的磁結構被真正看見，量子測量技術也正在從輔助工具，逐漸變成推動科學發(fā)現(xiàn)的新引擎。

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國儀量子誠邀您體驗掃描NV探針顯微鏡（SNVM）——納米級磁場成像系統(tǒng)，溫度1.8~300 K，矢量磁場9/1/1 T，磁空間分辨率達10 nm，磁靈敏度2 μT/Hz^1/2。