获得对磁结构的精确理解是固态物理学的主要目标之一。目前该领域正在进行重要的研究，目的是开发使用微小磁结构作为信息载体的未来数据处理应用。美因茨约翰内斯古腾堡大学 (JGU) 和美因茨亥姆霍兹研究所 (HIM) 的物理学家最近提出了一种结合两种不同技术来研究磁结构的新方法。这允许测量和映射样品的磁化以及磁场。参与该项目的有 Dmitry Budker 教授领导的工作组的原子物理学家和 Mathias Kläui 教授领导的实验固态物理学家团队。研究结果发表在应用物理评论。

“在这个项目中，我们结合了两种以前从未一起使用过的量子传感技术来分析样本，”文章的第一作者、Budker 小组的博士生 Till Lenz 解释说。固态物理学中采用的一种众所周知的方法使用磁光克尔效应 (MOKE) 来检测磁场和磁化强度。“但这只能为我们提供有限的信息，”Lenz 说。出于这个原因，研究人员决定将克尔效应与利用所谓的钻石色心的磁力测量方法结合起来，以实现磁场的映射。“我们希望这将在固态物理学和铁磁结构方面带来新的见解，”Georgios Chatzidrosos 说，他也是 Budker 小组的博士生。

金刚石不仅是一种宝石，而且还用于制造切割和研磨工具。金刚石晶格中的特定缺陷会产生可用于检查磁性结构的特性。这些色心，也称为氮空位中心，是金刚石碳晶格结构中的点缺陷。由 Dmitry Budker 教授领导的研究小组使用钻石中的这些色心作为探针来测量磁性现象。

金刚石中的一层薄薄的氮空位缺陷允许测量样品的磁性结构。图片来源：Arne Wickenbrock，JGU

基于金刚石的磁力计可以在非常低的温度下工作，也可以在高于室温的温度下工作，而样品和探头之间所需的距离可能很小，只有几纳米。“我们在金刚石晶体中有一层薄薄的氮缺陷，我们可以用它绘制磁性结构并拍摄磁场照片，”来自 Budker 小组的 Arne Wickenbrock 博士解释说。合著者 Lykourgos Bougas 博士补充说：“通过绘制磁场的所有成分，我们可以补充和扩展磁光测量提供的可能性。”

“在钻石色心帮助下工作的探头比传统工具灵敏得多，并为我们提供了非常好的结果。我们能够访问一些迷人的样品，这带来了独特的合作机会，”Mathias Kläui 教授强调说，描述两个研究小组之间合作的优势。“结合我们的互补测量技术，可以完全重建我们样品的磁性。” 最近发表的文章是 JGU 动力学和拓扑 (TopDyn) 顶级研究领域团队合作的产物，该领域由莱茵兰-普法尔茨州资助。此外，这项工作也是在 3D MAGiC 项目的保护伞下进行的，

引用发表在 Physical Review Applied 上的论文：“我们的概念代表了一个新的平台，用于使用工程金刚石磁传感器和允许两种测量方式的光学装置对磁结构的磁化和合成磁场进行宽场成像。” 除了 JGU 和 HIM 两个工作组外，还参与其中的还有法国雷恩第一大学的 Yannick Dumeige 教授，他作为 2018 年亚历山大·冯·洪堡基金会弗里德里希·威廉·贝塞尔研究奖的获得者还与 Budker 小组合作. 华盛顿大学物理学家傅开美教授也作为HIM特聘访问者参与了该项目。

展望未来，合作伙伴计划采用新技术来分析各自团队特别感兴趣的各种多学科方面。其中包括研究二维磁性材料、分子手性的磁效应和高温超导性。

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