低震動無液氦磁體與恒溫器成功助力低溫NV色心研究取得新進展

原子層厚薄的范德瓦爾斯（vdW）磁性材料的發現使得在二維空間中對各種自旋系統中的磁性機制進行基礎研究成為可能。由于具有易于制造和多種調控機制的點，vdW磁體和它們的異質結構有望成為下代的自旋電子器件候選材料。這種基礎研究和技術興趣的結合激發了人們對新型室溫vdW磁體的探索和對已發現材料的磁性機制的研究。

科學家們已經通過多種探測技術在微米尺度對vdW磁體進行了密集研究，如磁光克爾效應顯微鏡，磁圓二向色性顯微鏡，反?；魻栃?。盡管已有許多重要的結果，但這些方法由于存在激光衍射跟電尺寸限制，空間分辨率有限等問題，致使原子層厚薄vdW磁體的納米尺度征如磁疇和拓撲結構、自旋結構等大部分研究依舊未經探索。

圖1. 實驗示意圖。CrBr₃雙層膜雜散磁場是用金剛石探針中的單個NV色心探測的。實驗在低溫恒溫器內進行，實驗中溫度<5 K。

科學家已根據磁光致發光和微磁測量中的異常磁滯回線，預測了層狀CrBr₃中的磁疇，但在真實空間中尚未檢測到磁疇結構及其演變。近期，德國斯圖加大學的科學家演示了在低震動無液氦磁體與恒溫器內用金剛石探針對單個NV色心進行了低溫掃描磁測量（見圖1實驗示意圖）。通過使用脈沖測量方案，商用金剛石探針獲得佳磁場靈敏度約為0.3 μTHz^-1/2，微波加熱顯著降低。該團隊還用該裝置定量研究了少數幾層CrBr₃樣品的磁化，并在真實空間中成像了CrBr₃雙層中的疇結構。研究人員也觀察了磁疇的演化及磁疇壁缺陷位置的釘扎和反疇形核。

圖2.磁疇與飽和磁化強度。 a-b: 在沿著NV色心軸的2 mT外磁場下，CrBr₃雙層膜雜散磁場和的重建磁化強度圖；c: 11 mT外磁場下的磁化強度圖。所有圖像的比例尺均為1 μm。d-e:圖像b和圖像c中磁化值的直方圖。

雜散磁場可以通過對具有洛倫茲線型的光學探測磁共振曲線(optically detected magnetic resonance，簡稱ODMR)進行擬合得到。圖2a顯示了在零磁場下冷卻后，在2 mT外磁場下CrBr₃雙層膜的典型雜散磁場圖像，該雜散磁場圖清晰地顯示了具有明顯正負值的磁疇。為了揭示更多細節，該團隊還使用反向傳播協議把雜散磁場圖轉為重建磁化強度圖（見圖2b）。圖2b清楚地顯示了磁疇結構，具有正電荷（負）值表示磁化方向平行（反平行）外磁場。通過增加外部磁場，樣品可以化，圖2c顯示了在11 mT外部磁場下測得的磁化圖像。飽和磁化強度可以通過圖2d-e中的兩個磁化圖像的統計數據來計算，通過分析數據飽和磁化強度值分別為~26(?28）和~26μ_Bnm^?2，μB為玻爾磁子。

圖3. 外加磁場變大時磁疇的演化。a-g: 沿NV色心軸分別施加2、2.5、3、3.5、4、5和6 mT外磁場下連續測量的磁化圖像。圖像g中的比例尺為1 μm。h-i: 圖e和g中虛線框所示樣品區域的磁化圖像。j： 從圖a–g磁化圖像中提取的初始磁化曲線。

除了說明二維磁體的磁疇結構，基于NV色心的磁學成像測量可以使科學家能夠更詳細地研究這些系統中的磁化機制。多疇鐵磁體通常通過反疇的形核及疇壁運動，反轉其磁化方向。材料中的缺陷會改變磁疇壁的能量，從而影響磁疇壁的運動。圖3a–g顯示了樣品在零磁場下退磁并冷卻后，將磁場從2 mT增加到6 mT的情況下獲得的磁化圖像。從圖中可以看到正（負）疇的面積隨著磁場的增大而增大（縮?。?，隨著疇壁向負疇移動。負疇在*消失之前變得非常小，磁化圖像圖3g中顯示了接近幾十個納米直徑的磁化點。為了在機理上驗證釘扎效應可主導矯頑力，作者提取了樣品的初始磁化曲線（見圖j）。當磁場<2 mT時平均滲透率非常低，當磁場大于2 mT時，其顯著增加（參見圖3j中的藍色條），這與釘扎效應的行為主導了初始磁化的結果致。

另外，在其他不同層數的CrBr₃樣品中也觀察到類似的磁疇結構和疇壁釘扎。通過測量三層CrBr₃樣品在不同激光功率下的疇結構和磁性，表明激光加熱效應可以忽略不計。綜上所述，用低震動無液氦磁體與恒溫器內低溫NV色心探針，作者通過定量繪制雜散磁場圖研究了CrBr₃樣品中的磁疇，測定了雙層CrBr₃的磁化強度并在實空間觀察到了磁疇的演化。

低震動無液氦磁體與恒溫器內NV色心技術的高空間分辨率使磁共振成像成為可能，并可定位釘住疇壁并使反向疇成核的缺陷位置。該工作突出了低溫恒溫器內NV色心技術是未來探索二維磁體中納米尺度征的種定量探測手段。

圖4. attoDRY2200低震動無液氦磁體與恒溫器，適用于低溫NV色心研究

attoDRY2200低溫恒溫器以及可選顯微鏡主要技術點：

-溫度范圍：1.8K ..300 K

-磁場范圍：0...9T (取決于磁體, 可選12T，9T-3T矢量磁體等)

-Z方向振動噪音：AFM噪音 (工作帶寬=195Hz) < 100pm

-可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

-樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

-掃描范圍: 50×50 μm²@300 K, 30×30 μm²@4 K   

-商業化探針

-可升 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

參考文獻：

1. Qichao SUN, et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr₃ revealed by nanoscale imaging，Nature Communications 12, 1989 (2021) .