近日，華中科技大學(xué)物理學(xué)院智能量子中心、HUST-UULM中德量子傳感與量子測量實(shí)驗(yàn)室蔡建明教授團(tuán)隊(duì)與美國德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校研究團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種基于二維范德瓦爾斯固態(tài)自旋的全光學(xué)埃米級（百億分之一米）量子磁成像新方案，有望實(shí)現(xiàn)原子尺度磁結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)成像。該研究成果以“All-optical magnetic imaging protocol to achieve angstrom-scale resolution”為題發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

在研究凝聚態(tài)物理中的磁序、拓?fù)鋺B(tài)和量子相變等前沿問題時(shí)，如何“看見”原子級別的磁性排列一直具有挑戰(zhàn)，對具備超高空間分辨率的磁成像技術(shù)提出了迫切需求。目前主要的方法如掃描隧道顯微鏡（STM）、電子自旋共振STM（ESR-STM）和磁交換力顯微鏡（MExFM）雖已實(shí)現(xiàn)埃米級分辨率，但仍存在測量系統(tǒng)復(fù)雜、探針會對樣品產(chǎn)生擾動(dòng)等問題。本工作創(chuàng)新性地將二維范德瓦爾斯材料中的原子級薄層中的自旋缺陷作為量子自旋探針，并與太赫茲散射近場光學(xué)顯微鏡（THz s-SNOM）結(jié)合，構(gòu)建出一種全新的量子磁成像機(jī)制（圖1所示）。

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圖1.全光學(xué)埃米級量子磁成像原理示意圖。將二維范德瓦爾斯體系中的固態(tài)缺陷結(jié)構(gòu)與太赫茲近場光學(xué)顯微鏡結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高分辨率磁結(jié)構(gòu)成像

通過精確控制探針與樣品間的距離至數(shù)埃范圍內(nèi)，使強(qiáng)交換相互作用成為主導(dǎo)（圖2所示），再結(jié)合太赫茲光調(diào)控和對自旋依賴熒光信號的探測，實(shí)現(xiàn)對磁性信息的高靈敏度和高空間分辨率讀取。與依賴微波或機(jī)械諧振系統(tǒng)的磁成像手段相比，該方法完全使用光學(xué)手段，具有更強(qiáng)的系統(tǒng)兼容性，對樣品的擾動(dòng)更小，同時(shí)顯著簡化了實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性以及對實(shí)驗(yàn)條件的要求。

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圖2.自旋-自旋相互作用隨探針-樣品距離變化的關(guān)系

進(jìn)一步，為對比不同固態(tài)自旋掃描成像技術(shù)的探測機(jī)制，本研究系統(tǒng)分析了長程磁偶極-偶極相互作用與短程磁交換相互作用在微納尺度磁成像中的性能差異。以常見的金剛石氮空位中心（NV center）掃描磁成像為例，受限于其三維晶格結(jié)構(gòu)，NV中心與樣品之間的具體通常在10 nm量級，使其磁成像主要依賴于偶極-偶極相互作用這一長程耦合機(jī)制（如圖2所示）。相比之下，二維范德瓦爾斯材料中的自旋缺陷結(jié)構(gòu)可以貼近樣品至埃米尺度，使得短程磁交換作用占主導(dǎo)地位。結(jié)合掃頻太赫茲或固定太赫茲頻率兩種成像模式，可實(shí)現(xiàn)超高分辨率磁成像。進(jìn)一步的數(shù)值分析表明，即使在探針距樣品僅為4 Å的條件下，基于磁交換相互作用的成像效果顯著優(yōu)于偶極-偶極機(jī)制，呈現(xiàn)出更高的空間分辨率和更清晰的磁結(jié)構(gòu)成像（見圖3）。而由于磁偶極–偶極相互作用的長程性，其成像信號更為復(fù)雜，對磁圖像的重構(gòu)帶來較大挑戰(zhàn)。這些結(jié)果突顯了基于短程磁交換相互作用的成像方法在微納尺度超高空間分辨率磁探測中的獨(dú)特優(yōu)勢。

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圖3.基于偶極-偶極相互作用與基于磁交換相互作用的成像對比。

本研究為實(shí)現(xiàn)埃米級磁成像提供了全新的研究思路，同時(shí)可與先進(jìn)的THz-SNORM、THz時(shí)域光譜測量、以及基于固態(tài)自旋的量子精密測量與成像技術(shù)結(jié)合。該方法有望成為凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)中的重要探測工具，特別適用于研究手性磁性、反鐵磁、交錯(cuò)磁序及莫爾晶體中的軌道磁性等復(fù)雜磁性現(xiàn)象，開辟了微納尺度下磁結(jié)構(gòu)探測的新路徑。

華中科技大學(xué)物理學(xué)院青年教師王寧為論文第一作者，蔡建明與美國奧斯汀分校雷超博士為論文的共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/9386-v25k