近日，中国科学院物理研究所于晓辉副研究员、刘刚钦副研究员、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∼20 μT/Hz1/2，并且首次实现了高压环境下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。
本文的研究结果为金刚石对顶砧中磁性测量开辟了一条全新的思路，为高压下的超导研究、磁性相变行为研究创造了新的条件。同时，这种NV中心量子探针技术还能够应用于高压下压力及温度的灵敏表征，对金刚石对顶砧中弱信号的原位探测具有重要意义。
图1. 金刚石对顶砧中磁性样品和NV中心量子探针装载示意图。
NV中心自旋量子态可被532 nm激光极化，被金属铂天线传输的微波信号所调控，最后可以通过荧光信号的强弱来读出。
图2. 高压下集群NV电子自旋的高速调控——Rabi振荡信号。
图3. 集群NV中心光探磁共振信号随压强的变化。其共振频率受所处位置磁场强度决定。当压强引起样品磁性变化的时候，谱线会有对应的移动。
图4. Nd2Fe14B样品磁性随压强的变化。黑色表示加压过程，红色表示降压过程。由于测试所加外磁场较小，高压退磁后，降压重新建立起来的样品磁场强度小于原始的磁场强度。
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