幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)探索磁性及其相關(guān)現(xiàn)象的腳步從未停歇。在電磁學(xué)和量子力學(xué)發(fā)展的早期，人類(lèi)很難想象磁石對(duì)鐵的吸引力，鳥(niǎo)、魚(yú)或昆蟲(chóng)在相隔數(shù)千英里的目的地之間的導(dǎo)航能力，這些神奇又有趣的現(xiàn)象具有相同的磁性起源。這些磁性來(lái)源于基本粒子的運(yùn)動(dòng)電荷與自旋，它和電子一樣普遍存在。

近年來(lái)，二維磁性材料在國(guó)際上成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，它們?yōu)樽孕娮訉W(xué)器件的研發(fā)開(kāi)辟了新的方向，在新型光電器件、自旋電子學(xué)器件等方面都有著重要的應(yīng)用價(jià)值。近日，《物理學(xué)報(bào)》2021年第12期也推出了二維磁性材料專(zhuān)題，從不同的角度描述了二維磁性材料在理論與實(shí)驗(yàn)方面的進(jìn)展。

《物理學(xué)報(bào)》2021年第12期

你能想象得到嗎?只有幾個(gè)原子厚度的二維磁性材料就可以為極小的硅電子器件提供基板。這種神奇的材料由成對(duì)的超薄層制成，超薄層通過(guò)范德瓦耳斯力，即分子間作用力堆疊在一起，同時(shí)層內(nèi)原子以化學(xué)鍵進(jìn)行連接。雖然只有原子級(jí)的厚度，但依然保持著磁學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等方面的物理和化學(xué)特性。

二維磁性材料 | 圖片引用

打個(gè)有趣的比方，二維磁性材料中的每個(gè)電子都像一個(gè)微小的羅盤(pán)，擁有北極和南極，這些“羅盤(pán)針”的方向決定了磁化強(qiáng)度。當(dāng)這些無(wú)窮小的“羅盤(pán)針”自發(fā)對(duì)齊時(shí)，磁序就構(gòu)成物質(zhì)的基本相位，因此可制備出很多功能性裝置，例如發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)、磁阻存儲(chǔ)器和光學(xué)阻隔器等。這種神奇的特性也讓二維磁性材料變得炙手可熱起來(lái)，雖然現(xiàn)在集成電路制造工藝在不斷提高，但由于器件在不斷縮小，已經(jīng)受到量子效應(yīng)的限制，微電子行業(yè)已經(jīng)遇到了可靠性低、功耗大等瓶頸，延續(xù)了近50年的摩爾定律也不再“吃香”(摩爾定律：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì)增加一倍)。如果未來(lái)二維磁性材料能夠在磁傳感器、隨機(jī)存儲(chǔ)器等新型自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域得到應(yīng)用，說(shuō)不定有望突破集成電路性能瓶頸。

我們已經(jīng)知道，具有磁性的范德瓦耳斯晶體帶有特殊的磁電效應(yīng)，因此在二維磁性材料的研究過(guò)程中，定量的磁性研究是必不可少的步驟。然而，對(duì)此類(lèi)磁體在納米尺度上磁性響應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)研究依然非常缺乏?，F(xiàn)有的一些研究報(bào)道了在微米尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體磁性的檢測(cè)，但這些技術(shù)不僅還無(wú)法提供關(guān)于磁化的定量信息，還極容易干擾阻礙超薄樣品的磁信號(hào)。因此，檢測(cè)技術(shù)的更新對(duì)于探測(cè)材料納米尺度上的磁性質(zhì)是非常緊迫的挑戰(zhàn)。

國(guó)儀量子QDAFM

為了解決這一難題，國(guó)儀量子提供了一種新的測(cè)量途徑——量子鉆石原子力顯微鏡(QDAFM)。QDAFM是基于NV色心和AFM掃描成像技術(shù)的量子精密測(cè)量?jī)x器。通過(guò)對(duì)鉆石中氮—空位(NV)色心發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)行量子操控與讀出，可實(shí)現(xiàn)磁學(xué)性質(zhì)的定量無(wú)損成像，具有納米級(jí)的高空間分辨率以及單個(gè)自旋的超高探測(cè)靈敏度，可用于定量檢測(cè)范德瓦耳斯磁體的關(guān)鍵磁學(xué)性質(zhì)，并對(duì)其磁化、局部缺陷和磁疇進(jìn)行高空間分辨率的磁成像，具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場(chǎng)測(cè)量范圍等獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，在量子科學(xué)，化學(xué)與材料科學(xué)，以及生物和醫(yī)療等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

二維碘化鉻的磁化圖|引用

下面，為大家介紹QDAFM在微納磁成像、超導(dǎo)磁成像、細(xì)胞原位成像、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征等方面的具體應(yīng)用。

1、微納磁成像

對(duì)于磁性材料，確定其靜態(tài)自旋分布是凝聚態(tài)物理中的重要問(wèn)題，也是研究新型磁性器件的關(guān)鍵。

QDAFM提供了一種新的測(cè)量途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)高空間分辨率的磁性成像，具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場(chǎng)測(cè)量范圍等獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。

2、超導(dǎo)磁成像

對(duì)超導(dǎo)體及其渦旋的微觀尺度研究，能夠?yàn)槔斫獬瑢?dǎo)機(jī)理提供重要信息。利用工作在低溫下的QDAFM，可以對(duì)超導(dǎo)體的磁渦旋進(jìn)行定量的成像研究，并擴(kuò)展到眾多低溫凝聚態(tài)體系的磁性測(cè)量。

3、細(xì)胞原位成像

在細(xì)胞原位實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分子成像是生物學(xué)研究的重要手段。在眾多成像技術(shù)中，磁共振成像技術(shù)能夠快速、無(wú)破壞地獲取樣品體內(nèi)的自旋分布圖像，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中。

特別是在臨床醫(yī)學(xué)中，因其對(duì)生物體幾乎無(wú)損傷，對(duì)疾病的機(jī)理研究、診斷和治療起著重要的作用。然而，傳統(tǒng)的磁共振成像技術(shù)使用磁感應(yīng)線圈作為傳感器，空間分辨率極限在微米以上，無(wú)法進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)分子尺度的成像。

利用QDAFM的高空間分辨率特性，研究人員觀測(cè)到了細(xì)胞內(nèi)部存在于細(xì)胞器中的鐵蛋白，分辨率達(dá)到了10納米。

細(xì)胞原位鐵蛋白分子的納米磁成像|引用

4、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征

磁性斯格明子是具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)的納米尺度渦旋磁結(jié)構(gòu)。磁性斯格明子展現(xiàn)出豐富新奇的物理學(xué)特性，為研究拓?fù)渥孕娮訉W(xué)提供了新的平臺(tái)，在未來(lái)高密度、低能耗、非易失性計(jì)算和存儲(chǔ)器件中也具有潛在應(yīng)用。

但是室溫下單個(gè)斯格明子的探測(cè)在實(shí)驗(yàn)上仍具有挑戰(zhàn)性。QDAFM的高靈敏度和高分辨率特點(diǎn)，是解決這一難題的有力工具，通過(guò)雜散場(chǎng)測(cè)量可重構(gòu)出斯格明子的磁結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

1.《物理學(xué)報(bào)》2021年第12期，二維磁性材料專(zhuān)題

2.Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices(Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450)

4.Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy(Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926)

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