华中科技大学提出全光学埃米级量子磁成像新方案
近日，华中科技大学物理学院智能量子中心、HUST-UULM中德量子传感与量子测量实验室蔡建明教授团队与美国德克萨斯大学奥斯丁分校研究团队合作，提出了一种基于二维范德瓦尔斯固态自旋的全光学埃米级（百亿分之一米）量子磁成像新方案，有望实现原子尺度磁结构的精准成像。该研究成果以“All-optical magnetic imaging protocol to achieve angstrom-scale resolution”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。 ?J+[|*'yK
在研究凝聚态物理中的磁序、拓扑态和量子相变等前沿问题时，如何“看见”原子级别的磁性排列一直具有挑战，对具备超高空间分辨率的磁成像技术提出了迫切需求。目前主要的方法如扫描隧道显微镜（STM）、电子自旋共振STM（ESR-STM）和磁交换力显微镜（MExFM）虽已实现埃米级分辨率，但仍存在测量系统复杂、探针会对样品产生扰动等问题。本工作创新性地将二维范德瓦尔斯材料中的原子级薄层中的自旋缺陷作为量子自旋探针，并与太赫兹散射近场光学显微镜（THz s-SNOM）结合，构建出一种全新的量子磁成像机制（图1所示）。 vL13~q*F
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图1.全光学埃米级量子磁成像原理示意图。将二维范德瓦尔斯体系中的固态缺陷结构与太赫兹近场光学显微镜结合，实现高分辨率磁结构成像 Etj*3/n|
通过精确控制探针与样品间的距离至数埃范围内，使强交换相互作用成为主导（图2所示），再结合太赫兹光调控和对自旋依赖荧光信号的探测，实现对磁性信息的高灵敏度和高空间分辨率读取。与依赖微波或机械谐振系统的磁成像手段相比，该方法完全使用光学手段，具有更强的系统兼容性，对样品的扰动更小，同时显著简化了实验装置的复杂性以及对实验条件的要求。 _y)#N<
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图2.自旋-自旋相互作用随探针-样品距离变化的关系 >#R< *?*D}
进一步，为对比不同固态自旋扫描成像技术的探测机制，本研究系统分析了长程磁偶极-偶极相互作用与短程磁交换相互作用在微纳尺度磁成像中的性能差异。以常见的金刚石氮空位中心（NV center）扫描磁成像为例，受限于其三维晶格结构，NV中心与样品之间的具体通常在10 nm量级，使其磁成像主要依赖于偶极-偶极相互作用这一长程耦合机制（如图2所示）。相比之下，二维范德瓦尔斯材料中的自旋缺陷结构可以贴近样品至埃米尺度，使得短程磁交换作用占主导地位。结合扫频太赫兹或固定太赫兹频率两种成像模式，可实现超高分辨率磁成像。进一步的数值分析表明，即使在探针距样品仅为4 Å的条件下，基于磁交换相互作用的成像效果显著优于偶极-偶极机制，呈现出更高的空间分辨率和更清晰的磁结构成像（见图3）。而由于磁偶极–偶极相互作用的长程性，其成像信号更为复杂，对磁图像的重构带来较大挑战。这些结果突显了基于短程磁交换相互作用的成像方法在微纳尺度超高空间分辨率磁探测中的独特优势。 !cLX1S
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图3.基于偶极-偶极相互作用与基于磁交换相互作用的成像对比。 / MSz{ %v
本研究为实现埃米级磁成像提供了全新的研究思路，同时可与先进的THz-SNORM、THz时域光谱测量、以及基于固态自旋的量子精密测量与成像技术结合。该方法有望成为凝聚态物理实验中的重要探测工具，特别适用于研究手性磁性、反铁磁、交错磁序及莫尔晶体中的轨道磁性等复杂磁性现象，开辟了微纳尺度下磁结构探测的新路径。 2"nd(+ QH
华中科技大学物理学院青年教师王宁为论文第一作者，蔡建明与美国奥斯汀分校雷超博士为论文的共同通讯作者。 MyuFZ7Q4$
论文链接：https://doi.org/10.1103/9386-v25k
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