量子传感技术揭示范德华反铁磁体中的宽频自旋动力学与磁子输运机制

时间：2025年6月29日

来源：SCIENCE ADVANCES

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研究人员利用氮空位(NV−)量子自旋传感器(QSS)，首次实现了层状范德华反铁磁体(CrCl3/CrSBr)中高达24 GHz的光学检测反铁磁共振(ODAFMR)，揭示了其本征交换场与磁各向异性特征，并发现磁子可长程输运数十微米。该研究为高频自旋电子器件开发提供了新工具，发表于《Science Advances》。

在自旋电子学快速发展的今天，反铁磁体(AFM)因其超快动力学特性被视为下一代存储和计算器件的理想材料。然而，传统探测手段难以实现高频自旋动力学的原位表征，特别是对新兴的范德华(vdW)反铁磁材料体系。这类材料如CrCl₃和CrSBr，虽具有独特的层间弱相互作用和可调磁性能，但其自旋动力学机制与磁子输运行为仍存在诸多未解之谜。

针对这一挑战，中国科学技术大学的研究团队在《Science Advances》发表创新成果。他们巧妙利用金刚石中氮空位(NV⁻)色心的量子传感特性，开发出光学检测反铁磁共振(ODAFMR)新技术，首次实现了vdW反铁磁体中高达24 GHz的自旋动力学探测，并发现磁子可跨越数十微米进行长程输运。

研究团队采用微波共面波导(CPW)激发样品，通过NV⁻中心的自旋弛豫速率变化检测磁共振信号。关键技术包括：1) 在50 μm厚样品表面沉积含NV⁻的纳米金刚石；2) 调制微波幅度的锁相检测技术；3) 同步采集微波透射信号与光致发光信号；4) 温度依赖的AFMR谱分析(9-120 K)。

研究结果部分：

材料研究：通过AFMR谱解析了CrCl₃的声学(ω_a)和光学(ω_o)模式，测得μ₀H_E=2.64 kG交换场；CrSBr则显示双各向异性混合模式ω_±，其有效场随温度降低而增强。
ODAFMR原理：利用NV⁻弛豫速率Γ(ω_NV)对磁子集体动力学的敏感性，即使AFMR频率(>8.5 GHz)远超NV⁻共振频率(≈3 GHz)，仍可通过磁子-磁子非线性作用产生的低频涨落实现检测。
磁子输运：对比直接ESR信号发现，21.7 GHz AFMR激发的磁子能穿越50 μm厚度到达样品表面，其信号强度达直接激发的20倍，表明磁子平均自由程达数十微米。
频率优势：ODAFMR检测效率随频率升高而提升，21.7 GHz信号强度是15.1 GHz的4.4倍，为拓展至太赫兹频段奠定基础。

这项研究的意义在于：1) 建立了首个基于QSS的vdW反铁磁体高频动力学探测平台；2) 揭示了CrSBr中磁子的长程输运特性，为自旋波器件设计提供新思路；3) 发现ODAFMR的高频增强效应，突破了传统磁共振技术的频率限制。研究者特别指出，未来可将六方氮化硼中的硼空位色心与二维磁体集成，进一步发展原子尺度的磁动力学探针。该工作为理解反铁磁序与动力学关联提供了全新实验范式，对开发高频、低功耗自旋器件具有重要指导价值。