反铁磁材料研究的量子级利器

反铁磁材料内部相邻原子磁矩反平行有序排列，宏观无净磁矩且几乎无杂散场，在高密度低功耗信息存储领域潜力显著--可让存储单元紧密堆叠实现超高存储密度，太赫兹级本征动力学频率也使其读写更快、能耗更低，常见奈尔温度高于室温的反铁磁有BiFeO₃、Cr₂O₃等。而基于金刚石氮 - 空位色心与原子力显微镜的扫描 NV 探针显微镜，能实现纳米级高分辨、高灵敏定量无损磁成像，其发展让科学家可在纳米甚至原子尺度观测解析反铁磁序和磁畴，有力推动了对反铁磁性的理解与操控。

研究进展

1. 多铁性反铁磁材料 ——BiFeO₃（铁酸铋）

在室温下实现 BiFeO₃薄膜中非共线反铁磁序的实空间成像，精准捕获70nm周期的自旋螺旋结构，并通过电场成功操控螺旋传播方向，为磁电耦合器件设计提供关键依据[1][2]。

2. 绝缘反铁磁材料--Cr₂O₃（三氧化二铬）

通过扫描NV探针显微镜，清晰成像Cr₂O₃外延薄膜的反铁磁畴结构，追踪从顺磁到反铁磁相变的畴演化过程；同时揭示反铁磁畴壁的纳米力学特性，如畴壁钉扎与温度依赖的运动规律[3][4]。

3. 赤铁矿反铁磁材料 —— α-Fe₂O₃（α-氧化铁）

直接观测α-Fe₂O₃薄膜中电流诱导的反铁磁畴壁开关过程，捕捉畴壁在电流驱动下的动态运动轨迹，证实反铁磁材料中电流诱导扭矩的有效性，为反铁磁自旋电子器件开发奠定基础[5]；此外发现赤铁矿中存在单极、偶极、四极等丰富磁荷分布，拓展二维磁荷物理研究维度[6]。

注：以上材料均在我司扫描NV探针显微镜（SNVM）有客户测样，出于客户保密要求，核心数据不便展示。

结果展示

1. BFO螺旋磁序高分辨率磁成像

2. 应力调控反铁磁磁序

应用前景：赋能反铁磁自旋电子学

NV金刚石磁测量技术已成为反铁磁材料从基础研究到应用开发的“桥梁”：从反铁磁畴调控、拓扑磁结构探测，到电流/电场驱动的动态操控，其为高性能反铁磁存储器、磁传感器、量子比特载体等器件的创新提供了不可替代的纳米级磁表征能力。未来结合低温系统与多场调控技术，有望进一步解锁反铁磁材料的量子特性。

参考文献

[1] Gross I, Akhtar W, Martinez L, et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer[J]. Nature, 2017, 549(7671): 252-256.

[2] Gross I, Akhtar W, Garcia K, et al. Antiferromagnetic textures in BiFeO₃ controlled by strain and electric field[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1704.

[3] Hedrich N, Wagner K, Pylypovskyi O V, et al. Nanoscale imaging of antiferromagnetic domains in epitaxial films of Cr₂O₃ via scanning diamond magnetic probe microscopy[J]. RSC Advances, 2022, 13: 178-185.

[4] Hedrich N, Wagner K, Pylypovskyi O V, et al. Nanoscale mechanics of antiferromagnetic domain walls[J]. Nature Physics, 2021, 17(5): 574-577.

[5] Shields B J, Kosub T, Appel P, et al. Current-induced switching of thin film α-Fe₂O₃ devices imaged using a scanning single-spin microscope[J]. Physical Review Materials, 2023, 7(6): 064402.

[6] Tan A K C, Jani H, Högen M, et al. Revealing Emergent Magnetic Charge in an Antiferromagnet with Diamond Quantum Magnetometry[J]. Nature Materials, 2024, 23:205-211

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