國儀量子SNVM助力清華大學多鐵氧化物磁子輸運研究

磁振子自旋電流可在磁有序絕緣體中傳輸且幾乎無熱量耗散，在未來自旋電子器件中潛力巨大。因多鐵性材料BiFeO?（BFO）鐵電序與反鐵磁序耦合，故磁振子的電場調控成為自旋電子學領域的研究熱點。然后，BFO的菱形鐵電相（R-BFO）的磁結構解析一直是領域研究難點。

理論推測，R-BFO存在自旋圓環狀結構，這是解釋其磁振子輸運弱各向異性的關鍵，但此前缺乏直接的微觀磁成像證據。傳統的表征手段如X射線磁線性二色性（XMLD）等技術只能提供宏觀信號，無法捕捉納米尺度的自旋圓環細節，導致“晶體對稱性-磁結構-磁振子輸運"的邏輯鏈斷裂。掃描NV探針顯微鏡（SNVM）憑借納米級分辨率與電子級測磁靈敏度，直接解決了R-BFO磁結構表征難題，為研究結論提供了強有力實驗支撐。

團隊利用SNVM技術，清晰觀測到R-BFO內部存在周期≈70 nm的均勻自旋圓環狀結構，量化旋線周期的同時進一步確定了磁結構是單疇。結合鐵電成像（PFM），確認自旋圓環的傳播矢量k與鐵電極化方向P垂直，直接驗證了“Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）導致自旋圓環形成"的理論推測。綜上，NV 成像技術彌補了傳統光譜表征在磁結構直接觀測上的不足，是證實 R-BFO 自旋旋線結構、支撐 “晶體對稱性-磁結構-磁振子輸運" 關聯的關鍵實驗依據。

單疇 R-BFO 與 O-LBFO 的磁結構。a) LSMO（22 nm）/R-BFO（10 nm）樣品的 X 射線磁線性二色性（XMLD）光譜 b) LSMO（2 nm）/R-BFO（10 nm）樣品的氮空位（NV）成像圖。實驗中選用厚度僅為2 nm LSMO 層，以避免其雜散磁場對測量產生干擾 d)  LSMO（22 nm）/O-LBFO（10 nm）樣品的 XMLD 光譜 e) LSMO（22 nm）/O-BFO（10 nm）樣的 X 射線磁線性二色性-光電子發射顯微鏡（XMLD-PEEM）成像圖。

這項研究，不僅推動了我們對BFO體系磁振子輸運的認知，更證明了掃描NV探針顯微鏡是前沿材料研究的新利器。未來，在多鐵性材料、反鐵磁器件等領域，SNVM將持續解鎖微觀磁學奧秘，為低功耗自旋電子器件研發保駕護航。

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