科研进展 | 中科大等：在金刚石压砧中利用量子传感器对磁铁矿进行兆巴压力下的磁性相变成像

在兆巴级高压环境中，材料的电子结构与磁性能会发生显著变化，而传统的磁性测量技术在这些条件下常常受限于其性能，难以实现精确的测量。随着量子传感技术的兴起，为高压磁性测量提供了新的解决方案。如基于金刚石中氮-空位（NV）中心的传感器，以其极高的灵敏度和分辨率在微观尺度上探测磁场和其他物理量方面展现出了巨大的潜力。

10月14日，中国科学技术大学、歌德大学、合肥国家实验室、卡内基研究所、浙江大学在《Nature Communications》杂志上发表题为“Imaging magnetic transition of magnetite to megabar pressures using quantum sensors in diamond anvil cell”（在金刚石压砧中利用量子传感器对磁铁矿进行兆巴压力下的磁性相变成像研究）的研究论文，王孟祺为论文第一作者。

在本文中，研究人员展示了使用量子传感技术在高压环境下对磁铁矿（Fe3O4）进行磁结构成像的显著优势。他们成功地将量子传感器的磁检测灵敏度提升至约1μT/Hz^（1/2），并在兆巴级压力下实现了亚微米级别的空间分辨率。该突破性成果归功于研究人员开发的一种创新方法，显著提升了量子传感器的性能。

此外，研究人员还实现了一种在高压金刚石压砧单元中原位进行磁检测的技术。实验结果表明，利用这种量子传感技术在高压条件下直接观察材料的磁结构变化具有巨大优势，尤其是在涉及复杂因素如自旋交叉、磁相互作用改变和结构相变等情况下。这些发现为理解极端条件下材料的磁性行为提供了新的视角和工具。

背景

高压金刚石压砧（DAC）被广泛用于创造物质的新状态。然而，由于缺乏在兆巴压力下的通用原位磁测量技术，限制了人们对高压下材料磁性行为的理解，例如高温超导体的水化物和磁性系统中局部磁矩的形成或破坏。

高压已被证明是调节材料磁性属性的强大工具，因为它可以有效地增强分子间的相互作用，并重新分配电子。此外，高压下的磁性属性测量对于高温超导材料（如多氢化物）至关重要，但由于缺乏足够的迈斯纳效应证据，这些材料的存在和属性存在高度争议。

理论方法

研究人员通过调节氮空位（NV）轴沿线性应力，克服了量子传感器在高压环境下的性能限制，开发了一种在兆巴压力下具有高灵敏度（约1μT/√Hz）和亚微米级空间分辨率的原位磁检测技术。他们利用量子传感器直接成像磁场和磁畴的演化，观察了Fe3O4在兆巴压力范围内从铁磁性（αFe3O4）到弱铁磁性（β-Fe3O4）最终到顺磁性（γ-Fe3O4）的宏观磁性转变。这种转变对于理解在自旋交叉、改变的磁相互作用和结构相变等多种复杂因素存在的情况下磁性质的演变具有重要意义。

图1：金刚石砧座中的氮空位（NV）中心的几何结构

图2：在设计的金刚石砧座中的NV中心

实验方法

实验中，研究团队使用金刚石压砧单元（DAC）创造了高压环境，并将NV中心量子传感器嵌入金刚石砧面，以检测磁铁矿（Fe3O4）样品产生的微弱磁场。通过精确控制DAC的晶体取向，最小化垂直于NV轴的应力分量，从而显著提高了NV中心在高压下的光学和自旋读出对比度，并抑制了ODMR谱线的展宽。此外，团队还采用了两种不同类型的NV中心（NVo和NVi）来分别检测远离和紧邻磁铁矿样品表面的磁场，以实现高动态范围和高精度的磁性测量。

研究团队利用该技术，成功观测到了磁铁矿在兆巴级压力下从亚铁磁性（α-Fe3O4）到弱铁磁性（β-Fe3O4），最终到顺磁性（γ-Fe3O4）的磁性转变过程。他们发现，随着压力的增加，磁铁矿的磁畴取向发生动态变化，导致杂散磁场的显著演变。特别是在β-Fe3O4阶段，尽管宏观磁性显著减弱，但通过紧邻样品表面的NVi中心仍能检测到微弱的杂散磁场，表明β-Fe3O4存在弱铁磁性。该发现解决了关于β-Fe3O4在低于40GPa压力下磁性状态的争议，并排除了室温下从65GPa到120GPa压力范围内磁性恢复的可能性。此外，研究团队还通过磁性成像技术揭示了磁畴取向和分布的演变细节，为理解高压下材料的磁性行为提供了直观证据。

图3：磁铁矿的磁性检测数据

图4：磁铁矿在兆巴压力下的磁性演变

主要人员介绍

王孟祺，中国科学技术大学特任副研究员，主要从事金刚石量子传感器制造和应用研究工作。

参考链接