本文首次實現(xiàn)了金剛石對頂砧中高壓環(huán)境下NV中心自旋量子態(tài)的相干調(diào)控，并將該技術(shù)用于微米級樣品的高壓原位靈敏磁性測量，空間分辨率達2微米，磁測量靈敏度達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。

金剛石對頂砧中NV中心實現(xiàn)的高壓原位磁測量

研究背景

壓力作為一個基本物理參數(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)實現(xiàn)對物質(zhì)存在狀態(tài)和性能的有效調(diào)控。然而，以金剛石對頂砧為代表的高壓設(shè)備中樣品尺寸通常只有微米量級，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)容簡介

近日，中國科學(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量問題。NV中心是金剛石中的一種點缺陷結(jié)構(gòu)，由一個替代位氮原子和一個近鄰空位組成，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中心所處磁場發(fā)生變化時，會靈敏地反應(yīng)在其光探磁共振譜線上。在這個工作中，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）；通過長焦物鏡極化和讀出高壓腔內(nèi)NV自旋量子態(tài)，從而得到金剛石對頂砧中磁性樣品附近的局域磁性信號。他們實現(xiàn)的空間分辨率約為2微米，磁測量靈敏感達20 μT/Hz1/2，并且首次實現(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的壓強驅(qū)動磁性演化行為（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)果為金剛石對頂砧中磁性測量開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，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，對金剛石對頂砧中弱信號的原位探測具有重要意義。

圖1. 金剛石對頂砧中磁性樣品和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盘査{(diào)控，最后可以通過熒光信號的強弱來讀出。

圖2. 高壓下集群NV電子自旋的高速調(diào)控——Rabi振蕩信號。

圖3. 集群NV中心光探磁共振信號隨壓強的變化。其共振頻率受所處位置磁場強度決定。當(dāng)壓強引起樣品磁性變化的時候，譜線會有對應(yīng)的移動。

圖4. Nd2Fe14B樣品磁性隨壓強的變化。黑色表示加壓過程，紅色表示降壓過程。由于測試所加外磁場較小，高壓退磁后，降壓重新建立起來的樣品磁場強度小于原始的磁場強度。