什么是反鐵磁材料

圖一：反鐵磁磁矩排列

常見的鐵性有鐵磁性、鐵電性、鐵彈性。同時具有兩種或以上鐵性的材料被稱為多鐵材料，多鐵通常具有很強的鐵性耦合性能，即可以通過材料的一種鐵性調(diào)控另一種鐵性，如利用外加電場調(diào)控材料的鐵電性能從而影響材料的鐵磁性能。這類多鐵材料有望成為下一代電子自旋器件。其中反鐵磁材料因其表現(xiàn)出對外加磁場很好的魯棒性而被人廣泛的研究。

反鐵磁性是材料的一種磁性，磁矩反平行交錯有序排列，不表現(xiàn)宏觀的凈磁矩，這種磁有序狀態(tài)稱為反鐵磁性。在反鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，相鄰價電子的自旋趨于相反方向，不會產(chǎn)生磁場。具有反鐵磁性的物質(zhì)比較不常見，大多數(shù)只存在于低溫下，例如氧化亞鐵、鐵錳合金、鎳合金、稀土合金、稀土硼化物等，但也有室溫下的反鐵磁材料，如目前研究較為火熱的BiFeO3。

反鐵磁材料的應(yīng)用前景

對反鐵磁的認(rèn)知主要得益于中子散射技術(shù)的發(fā)展，因此我們能夠“看見”材料中自旋的排列方式，從而確認(rèn)反鐵磁的真實存在。1930年，奈爾先生就做了反鐵磁性的奠基性工作，直到1970年該工作才獲得諾貝爾物理學(xué)獎，其原因也許就在于當(dāng)時大多數(shù)研究者覺得反鐵磁沒多大用處?？赡荑F磁材料的研究大廈近乎完成，又可能是諾貝爾物理學(xué)獎的鼓舞，研究者們開始把目光聚焦于反鐵磁材料，反鐵磁的研究與價值逐漸被挖掘。

反鐵磁材料不易受電離及磁場的干擾，特征頻率以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率比典型的鐵磁材料要高幾個數(shù)量級且半導(dǎo)體中的反鐵磁有序比鐵磁有序更易觀測到。這些優(yōu)點使得反鐵磁材料成為極具吸引力的自旋電子材料。

新一代的磁隨機存儲器用電學(xué)方法對鐵磁體進行信息的寫入與讀取，這可能會降低鐵磁體的抗擾力，不利于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定存儲，鐵磁材料的雜散場也會成為高集成度存儲器的一大障礙。相反，反鐵磁體凈磁化為零，不會產(chǎn)生雜散場，且對外場不敏感，因此，基于反鐵磁體的存儲器完美的解決了鐵磁存儲器的問題，成為極具吸引力的潛在存儲器材料。

圖二：磁隨機存儲器（圖片來源于百度）

反鐵磁磁疇的觀測

反鐵磁磁疇的研究離不開觀測技術(shù)，常用的磁疇觀測手段有：磁力顯微鏡（MFM），使用磁性針尖，利用原子力顯微鏡技術(shù)記錄樣品表面磁場作用力；Ｘ射線顯微鏡，原理是Ｘ射線的吸收率能夠反映樣品的磁場；磁光克爾顯微鏡（Moke），利用磁光克爾效應(yīng)測量磁化分布。雖然每種成像方法的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的爐火純青，但由于反鐵磁磁性較弱，這些手段在靈敏度方面都不足達到單自旋探測，很難觀測到反鐵磁的磁疇結(jié)構(gòu)。

近年來，金剛石中一種特殊的缺陷結(jié)構(gòu)：氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心吸引了廣大研究人員的目光。通過微波與激光對NV色心電子自旋所處量子態(tài)實行操縱與讀出，可以獲得對應(yīng)NV軸向上磁場分量的強度。NV掃描探針顯微鏡就是將金剛石中的NV色心集成到AFM探針尖端，結(jié)合AFM掃描技術(shù)，可以獲得樣品表面的磁疇結(jié)果，其優(yōu)點在于擁有極高的靈敏度（1 T/Hz1/2）、空間分辨率（10 nm）和非侵入性。

鐵酸鉍BiFeO3（BFO）屬于多鐵材料的一種，具有鐵電性和反鐵磁性，同時伴隨弱的鐵磁性，是當(dāng)前多鐵材料研究的熱點之一。高分辨率的中子衍射研究發(fā)現(xiàn)BFO具有周期為64 nm的空間磁結(jié)構(gòu)。2017年，I. Gross等研究者借助NV掃描探針顯微鏡對室溫下BFO薄膜中的反鐵磁序進行了觀測，實驗結(jié)果觀測到約70 nm周期的自旋擺線磁結(jié)構(gòu)，如圖三所示。

圖三：I.Gross等人利用NV掃描探針顯微鏡觀測BFO周期性磁結(jié)構(gòu)

（圖片來源：I.Gross et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer, Nature , 2017, 549:252)

圖四：F. Aurore等人利用NV掃描探針顯微鏡觀測反鐵磁結(jié)構(gòu)及斯格明子

（圖片來源：F. Aurore et al.  Imaging non-collinear antiferromagnetic textures via single spin relaxometry, Nature communications, 2012, 12:767）

此外，2021年，F(xiàn). Aurore 等研究者同樣利用NV掃描探針顯微鏡對合成型反鐵磁中磁疇壁、斯格明子等磁結(jié)構(gòu)進行了觀測，如圖四所示。該實驗結(jié)果說明NV掃描探針顯微鏡技術(shù)可以推廣到其他反鐵磁體，為研究磁學(xué)局域自旋波提供新的機會。

圖五：NV掃描探針顯微鏡研究CuMnAs反鐵磁疇

（參考文獻：M. S. W?rnle et al. Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains arXiv:2019, 1912.05287）

M. S. W?rnle使用NV掃描探針顯微鏡研究了電流脈沖對CuMnAs反鐵磁疇結(jié)構(gòu)構(gòu)產(chǎn)生的影響，研究表明大的電阻變化與寫入電流脈沖引起的磁疇的納米級碎裂有關(guān)。通過對具有交叉幾何結(jié)構(gòu)的CuMnAs微器件中電流密度分布的成像，進一步證明了電流引起的磁疇結(jié)構(gòu)的變化是不均勻的。

圖六：NV掃描探針顯微鏡用于反鐵磁Cr2O3.的研究

（圖片來源：W. S. Huxter et al. Scanning gradiometry with a single spin quantum magnetometer，arXiv:2202.09130v1）

此外，Cr2O3也是報道較早的多鐵材料，室溫下也具有反鐵磁性。2022年，W. S. Huxter等人利用NV掃描探針顯微鏡的梯度掃描技術(shù)，在Cr2O3表面的原子臺階上測到了微特斯拉量級的靜磁場分布圖像。

NV掃描探針顯微鏡的優(yōu)點在于擁有單個自旋的高靈敏度（1uT/Hz1/2）和納米級的空間分辨率（10 nm）。此外NV色心的光、熱穩(wěn)定性都非常好且對生物友好，可實現(xiàn)定量無損的磁學(xué)成像。并且可在多種條件特別是常溫下正常工作，也非常適合作為生命科學(xué)的磁成像工具。

目前，國儀量子已推出商用NV掃描探針顯微鏡—量子鉆石原子力顯微鏡（Quantum diamond atomic force microscope, QDAFM），具有非侵入性、可覆蓋寬溫區(qū)、大磁場測量范圍等優(yōu)勢?？蓱?yīng)用于二維材料磁成像、納米電流成像、超導(dǎo)渦旋磁成像、細(xì)胞磁成像，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。

圖七：量子鉆石原子力顯微鏡

標(biāo)簽：NV掃描探針