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本文首次实现了金刚石对顶砧中高压环境下NV中心自旋量子态的相干调控，并将该技术用于微米级样品的高压原位灵敏磁性测量，空间分辨率达2微米，磁测量灵敏度达20 μT/Hz1/2。作者利用这种技术研究了永磁材料Nd2Fe14B的常温高压下的铁磁淬灭行为。

金刚石对顶砧中NV中心实现的高压原位磁测量

研究背景

压力作为一个基本物理参数，可以有效缩短物质中原子的间距，改变物质结构，形成全新的物质状态。高压条件对于物质科学研究具有特殊的重要性，可以在较大范围内实现对物质存在状态和性能的有效调控。然而，以金刚石对顶砧为代表的高压设备中样品尺寸通常只有微米量级，高压条件下原位灵敏的磁性表征一直缺少有效的办法，诸如高压超导的抗磁行为以及其他更为复杂的磁性相变行为很难得到有效的表征，成为高压科学研究领域亟待解决的难题。

内容简介

近日，中国科学院物理研究所于晓辉副研究员、刘刚钦副研究员、潘新宇研究员、洪芳副研究员及研究生商彦兴等用金刚石氮空位中心(nitrogen-vacancy center, NV 中心)解决了高压下的弱磁测量问题。NV中心是金刚石中的一种点缺陷结构，由一个替代位氮原子和一个近邻空位组成，它的自旋量子态可被激光和微波脉冲高效地极化、操控和读出。当NV中心所处磁场发生变化时，会灵敏地反应在其光探磁共振谱线上。在这个工作中，研究人员将带有NV中心的金刚石微米颗粒放置于金刚石对顶砧中，并引入金属铂天线发射微波调控脉冲（图1）；通过长焦物镜极化和读出高压腔内NV自旋量子态，从而得到金刚石对顶砧中磁性样品附近的局域磁性信号。他们实现的空间分辨率约为2微米，磁测量灵敏感达20 μT/Hz1/2，并且首次实现了高压环境下NV中心自旋量子态的相干调控（图2）。利用这种方法，他们系统研究了典型永磁材料Nd2Fe14B的压强驱动磁性演化行为（图3），成功在10 GPa附近观察到铁磁-顺磁的相变现象（图4）。相变压力和之前相关工作的结果一致。

研究意义及重要性

本文的研究结果为金刚石对顶砧中磁性测量开辟了一条全新的思路，为高压下的超导研究、磁性相变行为研究创造了新的条件。同时，这种NV中心量子探针技术还能够应用于高压下压力及温度的灵敏表征，对金刚石对顶砧中弱信号的原位探测具有重要意义。

图1. 金刚石对顶砧中磁性样品和NV中心量子探针装载示意图。NV中心自旋量子态可被532 nm激光极化，被金属铂天线传输的微波信号所调控，最后可以通过荧光信号的强弱来读出。

图2. 高压下集群NV电子自旋的高速调控——Rabi振荡信号。

图3. 集群NV中心光探磁共振信号随压强的变化。其共振频率受所处位置磁场强度决定。当压强引起样品磁性变化的时候，谱线会有对应的移动。

图4. Nd2Fe14B样品磁性随压强的变化。黑色表示加压过程，红色表示降压过程。由于测试所加外磁场较小，高压退磁后，降压重新建立起来的样品磁场强度小于原始的磁场强度。