原子層厚薄的范德瓦爾斯（vdW）磁性材料的發(fā)現(xiàn)使得在二維空間中對各種自旋系統(tǒng)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(diào)控機制的點，vdW磁體和它們的異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shù)興趣的結(jié)合激發(fā)了人們對新型室溫vdW磁體的探索和對已發(fā)現(xiàn)材料的磁性機制的研究。

科學家們已經(jīng)通過多種探測技術(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)、自旋結(jié)構(gòu)等大部分研究依舊未經(jīng)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(nèi)進行，實驗中溫度<5 K。

科學家已根據(jù)磁光致發(fā)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)。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(jié)，該團隊還使用反向傳播協(xié)議把雜散磁場圖轉(zhuǎn)為重建磁化強度圖（見圖2b）。圖2b清楚地顯示了磁疇結(jié)構(gòu)，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(tǒng)計數(shù)據(jù)來計算，通過分析數(shù)據(jù)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(xù)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(qū)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(zhuǎn)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?。S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(jié)果致。

另外，在其他不同層數(shù)的CrBr₃樣品中也觀察到類似的磁疇結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)NV色心技術(shù)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(nèi)NV色心技術(shù)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(shù)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(yè)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) .