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　　幾個世紀以來，人類探索磁性及其相關現象的腳步從未停歇。在電磁學和量子力學發(fā)展的早期，人類很難想象磁石對鐵的吸引力，鳥、魚或昆蟲在相隔數千英里的目的地之間的導航能力，這些神奇又有趣的現象具有相同的磁性起源。這些磁性來源于基本粒子的運動電荷與自旋，它和電子一樣普遍存在。

　　近年來，二維磁性材料在國際上成為備受關注的研究熱點，它們?yōu)樽孕�電子學器件的研發(fā)開辟了新的方向，在新型光電器件、自旋電子學器件等方面都有著重要的應用價值。近日，《物理學報》2021年第12期也推出了二維磁性材料專題，從不同的角度描述了二維磁性材料在理論與實驗方面的進展。

　　《物理學報》2021年第12期

　　你能想象得到嗎?只有幾個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的超薄層制成，超薄層通過范德瓦耳斯力，即分子間作用力堆疊在一起，同時層內原子以化學鍵進行連接。雖然只有原子級的厚度，但依然保持著磁學、電學、力學、光學等方面的物理和化學特性。

　　打個有趣的比方，二維磁性材料中的每個電子都像一個微小的羅盤，擁有北極和南極，這些“羅盤針”的方向決定了磁化強度。當這些無窮小的“羅盤針”自發(fā)對齊時，磁序就構成物質的基本相位，因此可制備出很多功能性裝置，例如發(fā)電機和電動機、磁阻存儲器和光學阻隔器等。這種神奇的特性也讓二維磁性材料變得炙手可熱起來，雖然現在集成電路制造工藝在不斷提高，但由于器件在不斷縮小，已經受到量子效應的限制，微電子行業(yè)已經遇到了可靠性低、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目在大約每經過18個月便會增加一倍)。如果未來二維磁性材料能夠在磁傳感器、隨機存儲器等新型自旋電子學器件領域得到應用，說不定有望突破集成電路性能瓶頸。

　　我們已經知道，具有磁性的范德瓦耳斯晶體帶有特殊的磁電效應，因此在二維磁性材料的研究過程中，定量的磁性研究是必不可少的步驟。然而，對此類磁體在納米尺度上磁性響應的定量實驗研究依然非常缺乏�，F有的一些研究報道了在微米尺度上實現了對晶體磁性的檢測，但這些技術不僅還無法提供關于磁化的定量信息，還極容易干擾阻礙超薄樣品的磁信號。因此，檢測技術的更新對于探測材料納米尺度上的磁性質是非常緊迫的挑戰(zhàn)。

　　國儀量子QDAFM

　　為了解決這一難題，國儀量子提供了一種新的測量途徑——量子鉆石原子力顯微鏡(QDAFM)。QDAFM是基于NV色心和AFM掃描成像技術的量子精密測量儀器。通過對鉆石中氮—空位(NV)色心發(fā)光缺陷的自旋進行量子操控與讀出，可實現磁學性質的定量無損成像，具有納米級的高空間分辨率以及單個自旋的超高探測靈敏度，可用于定量檢測范德瓦耳斯磁體的關鍵磁學性質，并對其磁化、局部缺陷和磁疇進行高空間分辨率的磁成像，具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場測量范圍等獨到優(yōu)勢，在量子科學，化學與材料科學，以及生物和醫(yī)療等研究領域有著廣泛的應用前景。

　　下面，為大家介紹QDAFM在微納磁成像、超導磁成像、細胞原位成像、拓撲磁結構表征等方面的具體應用。

　　1、微納磁成像

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

　　QDAFM提供了一種新的測量途徑，能夠實現高空間分辨率的磁性成像，具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場測量范圍等獨到優(yōu)勢。

　　2、超導磁成像

　　對超導體及其渦旋的微觀尺度研究，能夠為理解超導機理提供重要信息。利用工作在低溫下的QDAFM，可以對超導體的磁渦旋進行定量的成像研究，并擴展到眾多低溫凝聚態(tài)體系的磁性測量。

　　3、細胞原位成像

　　在細胞原位實現納米級分子成像是生物學研究的重要手段。在眾多成像技術中，磁共振成像技術能夠快速、無破壞地獲取樣品體內的自旋分布圖像，已經廣泛應用在多個科學領域中。

　　特別是在臨床醫(yī)學中，因其對生物體幾乎無損傷，對疾病的機理研究、診斷和治療起著重要的作用。然而，傳統(tǒng)的磁共振成像技術使用磁感應線圈作為傳感器，空間分辨率極限在微米以上，無法進行細胞內分子尺度的成像。

　　利用QDAFM的高空間分辨率特性，研究人員觀測到了細胞內部存在于細胞器中的鐵蛋白，分辨率達到了10納米。

　　4、拓撲磁結構表征

　　磁性斯格明子是具有拓撲保護性質的納米尺度渦旋磁結構。磁性斯格明子展現出豐富新奇的物理學特性，為研究拓撲自旋電子學提供了新的平臺，在未來高密度、低能耗、非易失性計算和存儲器件中也具有潛在應用。

　　但是室溫下單個斯格明子的探測在實驗上仍具有挑戰(zhàn)性。QDAFM的高靈敏度和高分辨率特點，是解決這一難題的有力工具，通過雜散場測量可重構出斯格明子的磁結構。

　　參考文獻：

　　1.《物理學報》2021年第12期，二維磁性材料專題

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

　　3.https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html

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