國(guó)儀量子SNVM助力清華大學(xué)多鐵氧化物磁子輸運(yùn)研究

更新時(shí)間：2025-12-18 點(diǎn)擊次數(shù)：25

近期，《Advanced Functional Materials》刊登了清華大學(xué)新型陶瓷材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室易迪老師課題組與集成電路學(xué)院南天翔老師課題組關(guān)于多鐵性氧化物BiFeO?（BFO）體系磁振子輸運(yùn)的重要研究。該研究題為“Tuning Anisotropic Magnon Transport in Multiferroic Oxides by Crystal Symmetry"。這項(xiàng)研究揭示了晶體對(duì)稱性對(duì)磁振子輸運(yùn)各向異性的關(guān)鍵調(diào)控作用。

研究中使用了國(guó)儀量子研制的掃描NV探針顯微鏡

磁振子自旋電流可在磁有序絕緣體中傳輸且?guī)缀鯚o熱量耗散，在未來自旋電子器件中潛力巨大。因多鐵性材料BiFeO?（BFO）鐵電序與反鐵磁序耦合，故磁振子的電場(chǎng)調(diào)控成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然后，BFO的菱形鐵電相（R-BFO）的磁結(jié)構(gòu)解析一直是領(lǐng)域研究難點(diǎn)。

理論推測(cè)，R-BFO存在自旋圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這是解釋其磁振子輸運(yùn)弱各向異性的關(guān)鍵，但此前缺乏直接的微觀磁成像證據(jù)。傳統(tǒng)的表征手段如X射線磁線性二色性（XMLD）等技術(shù)只能提供宏觀信號(hào)，無法捕捉納米尺度的自旋圓環(huán)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致“晶體對(duì)稱性-磁結(jié)構(gòu)-磁振子輸運(yùn)"的邏輯鏈斷裂。掃描NV探針顯微鏡（SNVM）憑借納米級(jí)分辨率與電子級(jí)測(cè)磁靈敏度，直接解決了R-BFO磁結(jié)構(gòu)表征難題，為研究結(jié)論提供了強(qiáng)有力實(shí)驗(yàn)支撐。

團(tuán)隊(duì)利用SNVM技術(shù)，清晰觀測(cè)到R-BFO內(nèi)部存在周期≈70 nm的均勻自旋圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，量化旋線周期的同時(shí)進(jìn)一步確定了磁結(jié)構(gòu)是單疇。結(jié)合鐵電成像（PFM），確認(rèn)自旋圓環(huán)的傳播矢量k與鐵電極化方向P垂直，直接驗(yàn)證了“Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）導(dǎo)致自旋圓環(huán)形成"的理論推測(cè)。綜上，NV 成像技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光譜表征在磁結(jié)構(gòu)直接觀測(cè)上的不足，是證實(shí) R-BFO 自旋旋線結(jié)構(gòu)、支撐 “晶體對(duì)稱性-磁結(jié)構(gòu)-磁振子輸運(yùn)" 關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

單疇 R-BFO 與 O-LBFO 的磁結(jié)構(gòu)。a) LSMO（22 nm）/R-BFO（10 nm）樣品的 X 射線磁線性二色性（XMLD）光譜 b) LSMO（2 nm）/R-BFO（10 nm）樣品的氮空位（NV）成像圖。實(shí)驗(yàn)中選用厚度僅為2 nm LSMO 層，以避免其雜散磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾 d) LSMO（22 nm）/O-LBFO（10 nm）樣品的 XMLD 光譜 e) LSMO（22 nm）/O-BFO（10 nm）樣的 X 射線磁線性二色性-光電子發(fā)射顯微鏡（XMLD-PEEM）成像圖。

這項(xiàng)研究，不僅推動(dòng)了我們對(duì)BFO體系磁振子輸運(yùn)的認(rèn)知，更證明了掃描NV探針顯微鏡是前沿材料研究的新利器。未來，在多鐵性材料、反鐵磁器件等領(lǐng)域，SNVM將持續(xù)解鎖微觀磁學(xué)奧秘，為低功耗自旋電子器件研發(fā)保駕護(hù)航。