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金刚石对顶砧中NV中心实现的高压原位磁测量

作者: 发布时间:2019-08-02 浏览次数:533
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  金刚石对顶砧中NV中心实现的高压原位磁测量

  压力作为一个基本物理参数,可以有效缩短物质中原子的间距,改变物质结构,形成全新的物质状态。高压条件对于物质科学研究具有特殊的重要性,可以在较大范围内实现对物质存在状态和性能的有效调控。然而,以金刚石对顶砧为代表的高压设备中样品尺寸通常只有微米量级,高压条件下原位灵敏的磁性表征一直缺少有效的办法,诸如高压超导的抗磁行为以及其他更为复杂的磁性相变行为很难得到有效的表征,成为高压科学研究领域亟待解决的难题。

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  近日,中国科学院物理研究所于晓辉副研究员、***钦副研究员、潘新宇研究员、洪芳副研究员及研究生商彦兴等用金刚石氮空位中心(nitrogen-vacancy center,NV中心)解决了高压下的弱磁测量问题。NV中心是金刚石中的一种点缺陷结构,由一个替代位氮原子和一个近邻空位组成,它的自旋量子态可被激光和微波脉冲高效地极化、操控和读出。当NV中心所处磁场发生变化时,会灵敏地反应在其光探磁共振谱线上。在这个工作中,研究人员将带有NV中心的金刚石微米颗粒放置于金刚石对顶砧中,并引入金属铂天线发射微波调控脉冲(图1);通过长焦物镜极化和读出高压腔内NV自旋量子态,从而得到金刚石对顶砧中磁性样品附近的局域磁性信号。他们实现的空间分辨率约为2微米,磁测量灵敏感达20μT/Hz1/2,并且***实现了高压环境下NV中心自旋量子态的相干调控(图2)。利用这种方法,他们系统研究了典型永磁材料Nd2Fe14B的压强驱动磁性演化行为(图3),成功在10 GPa附近观察到铁磁-顺磁的相变现象(图4)。相变压力和之前相关工作的结果一致。

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  金刚石是自然界存在的特殊材料之一,具有***高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等,如下表。虽然天然金刚石具有这些***的特性,但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在,其性质的多变性和稀有性极大地***了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身,且成本较天然金刚石低,能够制备各种几何形状,在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。

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