利用 NV 量子去相位測量法探測超順磁性 CoFeB 中的近場電磁漲落

論文信息：

S. Mahmud, W. Zhang, P. Das, A. Deka, W. Sun, Z. Jacob, Probing near-field EM fluctuations in superparamagnetic CoFeB with NV quantum dephasometry, (2026).

論文鏈接：

https://doi.org/10.48550/ARXIV.2602.13341.

研究背景

超薄磁性薄膜在傳感、存儲和自旋電子器件里很常見，但當厚度縮到納米尺度、尺寸接近磁疇時，材料的磁化可能會被熱漲落驅動而隨機翻轉，表現出超順磁性，這既能被用來做器件功能，也會成為存儲密度與穩定性的限制因素。麻煩在于，傳統磁化測量往往需要施加強擾動磁場，而且當磁層已經集成進實際器件后就更難做到方便、原位、非破壞地表征，因此需要一種集成后也能工作的高靈敏探測手段。NV 中心量子傳感因其可貼近樣品、溫區寬、頻段覆蓋 DC 到 GHz，已經被用于研究多類磁性材料的漲落與相變，但常用的 NV relaxometry主要探測約 2.87 GHz 附近的共振噪聲，對超順磁翻轉等往往發生在 MHz 量級的低頻近場電磁漲落并不敏感，于是作者引入能直接“聽見”MHz 噪聲的 NV 量子退相干測量（dephasometry）來補上這塊空白。

研究內容

圖1先把“被測對象是誰”講清楚 作者做了兩種CoFeB薄層對比 一種只有1.1 nm厚 在器件里會形成納米磁性單元 因各向異性能壘更小而出現熱致隨機翻轉的超順磁行為 另一種厚到10 nm時更像連續鐵磁薄膜 各向異性能壘高 磁化狀態穩定 于是MHz頻段的磁化率不再出現超順磁到阻塞態的轉變 同時用SQUID磁化曲線分別給出超順磁的可逆S形與鐵磁的滯回特征 作為“樣品相位/狀態”的基準判定。

Figure 1: 納米尺度 CoFeB 薄層的磁化響應。（a）在含嵌入式 NV 層的金剛石樣品上沉積 1.1 nm 厚 CoFeB 薄層。對于該厚度的 CoFeB 薄層，由于形成了各向異性能壘能（Eb）較小的納米尺度磁性單元，體系呈現超順磁性。（b）超順磁性 CoFeB 的磁化率隨頻率的依賴關系。在 MHz 頻率響應中，由于體系從超順磁態向阻塞態轉變而出現非單調性。與磁化率峰值對應的溫度稱為阻塞溫度。GHz 磁化率的轉變點位于所示溫度范圍之外。（c）基于 SQUID 的超順磁性 CoFeB 磁化曲線。μIP 和 μOOP 分別表示納米尺度磁性單元沿面內與面外方向的平均磁矩。（d）在金剛石樣品上沉積 10 nm 厚 CoFeB 薄層。由于該連續磁性層具有更高的各向異性能壘能，體系保持鐵磁性。（e）鐵磁性 CoFeB 的 MHz 與 GHz 頻率磁化率響應。在兩種頻率下，磁化狀態均不存在相變。（f）鐵磁性 CoFeB 薄層的基于 SQUID 的磁化曲線。

圖2進入方法學核心 作者把NV中心當作近場噪聲頻譜儀 通過兩條互補通道讀出CoFeB產生的電磁漲落 一條是relaxometry 用T1去感知與NV躍遷頻率約2.87 GHz共振的橫向噪聲 另一條是dephasometry 用T2去感知0–100 MHz量級的低頻縱向噪聲 并在同一器件上用可調SiO2間隔層改變NV到CoFeB的距離 圖中還給出兩種脈沖序列與示例數據 清楚顯示靠近CoFeB會加速弛豫與退相干 從而把“超薄磁層的低頻漲落”轉化成可量化的相干時間變化。

Figure 2：基于 NV 的近場電磁漲落量子譜學：弛豫測量與去相位測量對比。（a）利用金剛石中的 NV 中心自旋量子比特對近場電磁漲落進行譜學探測的示意圖。在金剛石樣品表面沉積 CoFeB 薄層，NV 層與其距離可變（d1、d2、d3）。使用 532 nm 綠光激光對 NV 自旋態進行光學初始化與讀出；微波（MW）天線在去相位測量過程中提供自旋操控信號。圖頂端給出了 NV 中心基態自旋能級。（b）量子弛豫測量（relaxometry）協議的脈沖序列與自旋態演化。自旋首先沿量子化軸被初始化到純態，隨后由于與電磁漲落中與 NV 躍遷頻率（≈2.87 GHz）共振的分量相互作用而發生弛豫。弛豫時間 T1 由自旋極化的指數衰減擬合得到。鄰近 CoFeB 的存在會增強弛豫速率，如附帶數據所示。（c）量子去相位測量（dephasometry）協議示意圖。此時，NV 自旋被初始化到相對于量子化軸垂直方向的疊加態。該疊加態的相位相干性對低頻、非共振的電磁漲落敏感。去相位時間 T2 由相位相干性的衰減速率提取得到。

圖3用溫度掃描把“噪聲來自超順磁翻轉”這件事釘死在數據上 在超順磁1.1 nm樣品附近 T2隨溫度呈非單調變化 先變短后變長 最低點落在約百余K的區間 與MHz磁化率里超順磁到阻塞態轉變的溫區相呼應 同時作者對照了10 nm鐵磁樣品 其T1與T2隨溫度變化更符合常見的單調趨勢 這樣一來 非單調的T2就被指向一種與低頻磁化率臨界行為相關的漲落增強 而不是儀器或NV本底的偶然效應。

Figure 3：通過 NV 中心溫度依賴的相干性測量探測 CoFeB 的超順磁性。（a）帶有超薄 CoFeB 薄層、呈現超順磁行為的金剛石樣品示意圖。（b）靠近 CoFeB 薄層的 NV 中心去相位測量結果。該對低頻噪聲敏感的測量呈現出隨溫度變化的標度行為，從而凸顯其與插圖所示弛豫測量溫度依賴性的差異。（c）沉積較厚 CoFeB 薄層、呈現鐵磁行為的金剛石樣品示意圖。（d）靠近鐵磁性 CoFeB 薄層的 NV 中心去相位測量結果，插圖給出了相應的弛豫測量。

圖4進一步把“漲落到底長什么樣”從一個T2數值拆成頻譜 作者用動力學去耦序列抽取低頻噪聲譜S(f) 并把總譜分解為三類成分 本底的核自旋與divacancy導致的Lorentz型噪聲 超順磁疇翻轉貢獻以及其他近似頻率無關的背景 然后做三組關鍵對照 不同溫度下有無CoFeB的譜差異 外加磁場對譜的影響主要局限在10 MHz以下而10 MHz以上基本不變 以及超順磁與鐵磁CoFeB在不同溫度下的譜對比 其中鐵磁樣品不顯示來自疇翻轉的那一部分 直接支撐了作者的物理歸因與模型擬合。

Figure 4：CoFeB 薄膜電磁漲落的低頻譜學表征。（a）不同溫度下、靠近 CoFeB 薄膜處測得的譜線。295 K 時的本征電磁漲落譜（無 CoFeB）主要由核自旋浴以及注入過程中形成的雙空位中心主導；相比之下，CoFeB 薄膜的存在會引入額外的漲落。理論擬合結果以粗實線疊加在實驗數據上。（b）磁場對 295 K 下 CoFeB 誘導漲落的影響。外加磁場會改變 10 MHz 以下的漲落分量，這很可能源于金剛石核自旋浴的變化；而 10 MHz 以上的漲落基本不受影響，這與超順磁性 CoFeB 的電磁漲落對磁場依賴較弱的特征一致。（c）不同溫度下超順磁與鐵磁 CoFeB 薄層譜線的對比。

圖5把空間幾何效應補齊 作者系統改變NV到CoFeB的間距d 發現T1隨距離呈d^4標度 這與把1.1 nm薄層視為準二維自旋面、偶極場方差做面積積分得到的1/d^4一致 而T2表觀上更接近d^2 作者解釋為NV自身核自旋本底噪聲與距離無關 會“拖慢”T2對磁層噪聲的衰減 同時他們還在不同距離下重構噪聲譜 看到隨距離增大 超順磁翻轉與相關噪聲的幅度逐步減小 讓讀者直觀看到近場漲落的空間分布與不同頻段成分的衰減規律。

Figure 5：NV 中心相干時間對 NV–CoFeB 距離的依賴關系。（a）NV 中心弛豫時間隨其與 CoFeB 薄層距離的變化關系。弛豫時間遵循與距離有關的 d^4 標度律。（b）去相位時間隨其與 CoFeB 薄層距離的變化關系。去相位時間對距離呈現 d^2 依賴。（c）在不同 NV–CoFeB 距離下測得的電磁漲落譜。該譜線揭示了不同頻率分量的幅度如何隨與磁源距離的變化而改變。

結論與展望

作者針對納米CoFeB磁層在器件中難以用傳統磁化測量原位表征的問題，提出用金剛石NV中心量子退相干譜學探測其MHz近場電磁漲落。實驗在鉆石表面植入約50 nm深NV層，并以SiO2間隔調控NV與CoFeB距離，對比1.1 nm超順磁薄層與10 nm鐵磁薄層。通過T1弛豫讀出≈2.87 GHz共振噪聲、通過T2退相干讀出0–100 MHz低頻噪聲，發現超順磁樣品的T2隨溫度呈非單調變化，在約150 K出現最小值，對應MHz磁化率從超順磁到阻塞態的臨界區。進一步用動力學去耦重構噪聲譜并分離噪聲成分，結合距離標度揭示薄層維度對漲落強度的影響，為混合量子自旋電子器件提供可集成的磁化動力學診斷手段。