基于单自旋量子传感器的磁斯格明子实验研究

Magnetic skyrmions are a kind of topological spin texures like the shape of a whirl. It has lots of dynamical properties, and is a candidate for the next generation basic storage units with high speed and high density, which makes it interesting in recent years. To experimentally study the magnetic skyrmions, people develop many methods, such as Lorentz electron transmission microscopy, electron holography, magnetic force microscopy and magneto-optical Kerr effect microscopy. In this project, we will use a newly developed magnetic sensor, a single-spin quantum sensor in diamond, to study the magnetic skyrmions with nanoscale resolution and single-spin sensitivity even under ambient conditions. Based on nanoscale magnetic resonance techniques, the Nitrogen-vacancy center in diamond is used to observe the spin textures and the spin dynamics inside the skyrmions in high sensitivity and high spatial-time resolution. The project will provide a new and powerful tool for research in magnetic skyrmions as well as in nanomagnetism.

磁斯格明子是某些磁性材料在特定条件下表现出的一种类似于旋涡的拓扑非平庸的自旋结构。它有着丰富的动力学行为，有望成为下一代高速高密度存储的基本单元，成为近期研究的热点。目前对磁斯格明子的研究方法包括洛伦兹电镜、电子全息、磁力显微镜、磁光科尔效应显微镜等手段。本项目将使用一种新型的磁场传感器——基于金刚石单自旋的量子传感器，依靠其纳米级的空间分辨能力和单自旋级别的磁场精度，特别是其室温大气条件下即可工作的优势，发展对斯格明子自旋结构的新研究方法。使用微观磁共振方法，通过测量金刚石中氮-空位点缺陷单自旋在斯格明子自旋作用下的量子演化，研究斯格明子内部的自旋结构和自旋动力学，发挥单自旋量子传感器在精密测量领域高灵敏度、高时空分辨的优势，为磁斯格明子的研究乃至纳米磁学领域提供一种新型的、强大的研究手段。

磁斯格明子是某些磁性材料在特定条件下表现出的一种类似于旋涡形状的稳定的拓扑自旋结构。本项目基于一种新型的磁场传感器——基于金刚石氮-空位色心（NV色心）单自旋的量子传感器，依靠其纳米级的空间分辨能力和单自旋级别的磁场灵敏度，特别是其室温大气条件下即可工作的优势，实现了对斯格明子自旋结构的新研究方法。使用微观磁共振方法，通过测量金刚石中氮-空位点缺陷单自旋在斯格明子自旋作用下的量子演化，研究了磁斯格明子内部的自旋结构和自旋动力学频谱，得到了磁斯格明子的矢量杂散场和自旋波频谱。我们还研究了双斯格明子的形成条件，发现磁单极子–反磁单极子的极点相对位置，是决定双斯格明子或平庸磁泡的控制条件。.在研究过程中，项目组基于NV色心量子精密测量原理，发展起来基于NV色心的扫描磁成像技术，研发了阵列式金刚石单自旋扫描探针，研制了基于NV色心的磁成像仪器。项目执行期间，共发表相关SCI文章7篇，相关技术申请发明专利5项，形成“电磁波成像仪”、“宽场磁成像仪”和“固态量子材料自旋信息测量仪”三台科学仪器；所发展的技术和仪器进行了产业转化，获得直接转化收益211万元；所研制的仪器已经产生1.32亿元销售额，销售至国内高校和科研院所，为磁斯格明子的研究乃至纳米磁学领域提供一种新型的、强大的研究手段。