本文首次實現了金剛石對頂砧中高壓環境下NV中心自旋量子態的相干調控，并將該技術用于微米級樣品的高壓原位靈敏磁性測量，空間分辨率達2微米，磁測量靈敏度達20 μT/Hz1/2。作者利用這種技術研究了永磁材料Nd2Fe14B的常溫高壓下的鐵磁淬滅行為。

金剛石對頂砧中NV中心實現的高壓原位磁測量

研究背景

壓力作為一個基本物理參數，可以有效縮短物質中原子的間距，改變物質結構，形成全新的物質狀態。高壓條件對于物質科學研究具有特殊的重要性，可以在較大范圍內實現對物質存在狀態和性能的有效調控。然而，以金剛石對頂砧為代表的高壓設備中樣品尺寸通常只有微米量級，高壓條件下原位靈敏的磁性表征一直缺少有效的辦法，諸如高壓超導的抗磁行為以及其他更為復雜的磁性相變行為很難得到有效的表征，成為高壓科學研究領域亟待解決的難題。

內容簡介

近日，中國科學院物理研究所于曉輝副研究員、劉剛欽副研究員、潘新宇研究員、洪芳副研究員及研究生商彥興等用金剛石氮空位中心(nitrogen-vacancy center, NV 中心)解決了高壓下的弱磁測量問題。NV中心是金剛石中的一種點缺陷結構，由一個替代位氮原子和一個近鄰空位組成，它的自旋量子態可被激光和微波脈沖高效地極化、操控和讀出。當NV中心所處磁場發生變化時，會靈敏地反應在其光探磁共振譜線上。在這個工作中，研究人員將帶有NV中心的金剛石微米顆粒放置于金剛石對頂砧中，并引入金屬鉑天線發射微波調控脈沖（圖1）；通過長焦物鏡極化和讀出高壓腔內NV自旋量子態，從而得到金剛石對頂砧中磁性樣品附近的局域磁性信號。他們實現的空間分辨率約為2微米，磁測量靈敏感達20 μT/Hz1/2，并且首次實現了高壓環境下NV中心自旋量子態的相干調控（圖2）。利用這種方法，他們系統研究了典型永磁材料Nd2Fe14B的壓強驅動磁性演化行為（圖3），成功在10 GPa附近觀察到鐵磁-順磁的相變現象（圖4）。相變壓力和之前相關工作的結果一致。

研究意義及重要性

本文的研究結果為金剛石對頂砧中磁性測量開辟了一條全新的思路，為高壓下的超導研究、磁性相變行為研究創造了新的條件。同時，這種NV中心量子探針技術還能夠應用于高壓下壓力及溫度的靈敏表征，對金剛石對頂砧中弱信號的原位探測具有重要意義。

圖1. 金剛石對頂砧中磁性樣品和NV中心量子探針裝載示意圖。NV中心自旋量子態可被532 nm激光極化，被金屬鉑天線傳輸的微波信號所調控，最后可以通過熒光信號的強弱來讀出。

圖2. 高壓下集群NV電子自旋的高速調控——Rabi振蕩信號。

圖3. 集群NV中心光探磁共振信號隨壓強的變化。其共振頻率受所處位置磁場強度決定。當壓強引起樣品磁性變化的時候，譜線會有對應的移動。

圖4. Nd2Fe14B樣品磁性隨壓強的變化。黑色表示加壓過程，紅色表示降壓過程。由于測試所加外磁場較小，高壓退磁后，降壓重新建立起來的樣品磁場強度小于原始的磁場強度。