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).

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

研究背景

超薄磁性薄膜在傳感、存儲(chǔ)和自旋電子器件里很常見，但當(dāng)厚度縮到納米尺度、尺寸接近磁疇時(shí)，材料的磁化可能會(huì)被熱漲落驅(qū)動(dòng)而隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出超順磁性，這既能被用來做器件功能，也會(huì)成為存儲(chǔ)密度與穩(wěn)定性的限制因素。麻煩在于，傳統(tǒng)磁化測量往往需要施加強(qiáng)擾動(dòng)磁場，而且當(dāng)磁層已經(jīng)集成進(jìn)實(shí)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(qū)寬、頻段覆蓋 DC 到 GHz，已經(jīng)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(duì)超順磁翻轉(zhuǎn)等往往發(fā)生在 MHz 量級(jí)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(bǔ)上這塊空白。

研究內(nèi)容

圖1先把“被測對(duì)象是誰”講清楚 作者做了兩種CoFeB薄層對(duì)比 一種只有1.1 nm厚 在器件里會(huì)形成納米磁性單元 因各向異性能壘更小而出現(xiàn)熱致隨機(jī)翻轉(zhuǎn)的超順磁行為 另一種厚到10 nm時(shí)更像連續(xù)鐵磁薄膜 各向異性能壘高 磁化狀態(tài)穩(wěn)定 于是MHz頻段的磁化率不再出現(xiàn)超順磁到阻塞態(tài)的轉(zhuǎn)變 同時(shí)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(tài)”的基準(zhǔn)判定。

Figure 1: 納米尺度 CoFeB 薄層的磁化響應(yīng)。（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(duì)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(xiàn)超順磁性。（b）超順磁性 CoFeB 的磁化率隨頻率的依賴關(guān)系。在 MHz 頻率響應(yīng)中，由于體系從超順磁態(tài)向阻塞態(tài)轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)非單調(diào)性。與磁化率峰值對(duì)應(yīng)的溫度稱為阻塞溫度。GHz 磁化率的轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(nèi)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(xù)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(yīng)。在兩種頻率下，磁化狀態(tài)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(jìn)入方法學(xué)核心 作者把NV中心當(dāng)作近場噪聲頻譜儀 通過兩條互補(bǔ)通道讀出CoFeB產(chǎn)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(jí)的低頻縱向噪聲 并在同一器件上用可調(diào)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(shù)據(jù) 清楚顯示靠近CoFeB會(huì)加速弛豫與退相干 從而把“超薄磁層的低頻漲落”轉(zhuǎn)化成可量化的相干時(shí)間變化。

Figure 2：基于 NV 的近場電磁漲落量子譜學(xué)：弛豫測量與去相位測量對(duì)比。（a）利用金剛石中的 NV 中心自旋量子比特對(duì)近場電磁漲落進(jìn)行譜學(xué)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(duì) NV 自旋態(tài)進(jìn)行光學(xué)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(hào)。圖頂端給出了 NV 中心基態(tài)自旋能級(jí)。（b）量子弛豫測量（relaxometry）協(xié)議的脈沖序列與自旋態(tài)演化。自旋首先沿量子化軸被初始化到純態(tài)，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(fā)生弛豫。弛豫時(shí)間 T1 由自旋極化的指數(shù)衰減擬合得到。鄰近 CoFeB 的存在會(huì)增強(qiáng)弛豫速率，如附帶數(shù)據(jù)所示。（c）量子去相位測量（dephasometry）協(xié)議示意圖。此時(shí)，NV 自旋被初始化到相對(duì)于量子化軸垂直方向的疊加態(tài)。該疊加態(tài)的相位相干性對(duì)低頻、非共振的電磁漲落敏感。去相位時(shí)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(zhuǎn)”這件事釘死在數(shù)據(jù)上 在超順磁1.1 nm樣品附近 T2隨溫度呈非單調(diào)變化 先變短后變長 最低點(diǎn)落在約百余K的區(qū)間 與MHz磁化率里超順磁到阻塞態(tài)轉(zhuǎn)變的溫區(qū)相呼應(yīng) 同時(shí)作者對(duì)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(diào)趨勢 這樣一來 非單調(diào)的T2就被指向一種與低頻磁化率臨界行為相關(guān)的漲落增強(qiáng) 而不是儀器或NV本底的偶然效應(yīng)。

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(xiàn)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(jié)果。該對(duì)低頻噪聲敏感的測量呈現(xiàn)出隨溫度變化的標(biāo)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(xiàn)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(jié)果，插圖給出了相應(yīng)的弛豫測量。

圖4進(jìn)一步把“漲落到底長什么樣”從一個(gè)T2數(shù)值拆成頻譜 作者用動(dòng)力學(xué)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(dǎo)致的Lorentz型噪聲 超順磁疇翻轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)以及其他近似頻率無關(guān)的背景 然后做三組關(guān)鍵對(duì)照 不同溫度下有無CoFeB的譜差異 外加磁場對(duì)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(duì)比 其中鐵磁樣品不顯示來自疇翻轉(zhuǎn)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(xué)表征。（a）不同溫度下、靠近 CoFeB 薄膜處測得的譜線。295 K 時(shí)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(dǎo)；相比之下，CoFeB 薄膜的存在會(huì)引入額外的漲落。理論擬合結(jié)果以粗實(shí)線疊加在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。（b）磁場對(duì) 295 K 下 CoFeB 誘導(dǎo)漲落的影響。外加磁場會(huì)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(duì)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(duì)比。

圖5把空間幾何效應(yīng)補(bǔ)齊 作者系統(tǒng)改變NV到CoFeB的間距d 發(fā)現(xiàn)T1隨距離呈d^4標(biāo)度 這與把1.1 nm薄層視為準(zhǔn)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(guān) 會(huì)“拖慢”T2對(duì)磁層噪聲的衰減 同時(shí)他們還在不同距離下重構(gòu)噪聲譜 看到隨距離增大 超順磁翻轉(zhuǎn)與相關(guān)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(guī)律。

Figure 5：NV 中心相干時(shí)間對(duì) NV–CoFeB 距離的依賴關(guān)系。（a）NV 中心弛豫時(shí)間隨其與 CoFeB 薄層距離的變化關(guān)系。弛豫時(shí)間遵循與距離有關(guān)的 d^4 標(biāo)度律。（b）去相位時(shí)間隨其與 CoFeB 薄層距離的變化關(guān)系。去相位時(shí)間對(duì)距離呈現(xiàn) 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(jié)論與展望

作者針對(duì)納米CoFeB磁層在器件中難以用傳統(tǒng)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(xué)探測其MHz近場電磁漲落。實(shí)驗(yàn)在鉆石表面植入約50 nm深NV層，并以SiO2間隔調(diào)控NV與CoFeB距離，對(duì)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(fā)現(xiàn)超順磁樣品的T2隨溫度呈非單調(diào)變化，在約150 K出現(xiàn)最小值，對(duì)應(yīng)MHz磁化率從超順磁到阻塞態(tài)的臨界區(qū)。進(jìn)一步用動(dòng)力學(xué)去耦重構(gòu)噪聲譜并分離噪聲成分，結(jié)合距離標(biāo)度揭示薄層維度對(duì)漲落強(qiáng)度的影響，為混合量子自旋電子器件提供可集成的磁化動(dòng)力學(xué)診斷手段。