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，材料的磁化可能會被熱漲落驅(qū)動而隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出超順磁性，這既能被用來做器件功能，也會成為存儲密度與穩(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)擾動磁場，而且當(dāng)磁層已經(jīng)集成進(jìn)實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，對超順磁翻轉(zhuǎn)等往往發(fā)生在 MHz 量級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“被測對象是誰”講清楚 作者做了兩種CoFeB薄層對比 一種只有1.1 nm厚 在器件里會形成納米磁性單元 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。與磁化率峰值對應(yīng)的溫度稱為阻塞溫度。GHz 磁化率的轉(zhuǎn)變點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比。（a）利用金剛石中的 NV 中心自旋量子比特對近場電磁漲落進(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 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。圖頂端給出了 NV 中心基態(tài)自旋能級。（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。弛豫時間 T1 由自旋極化的指數(shù)衰減擬合得到。鄰近 CoFeB 的存在會增強(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，NV 自旋被初始化到相對于量子化軸垂直方向的疊加態(tài)。該疊加態(tài)的相位相干性對低頻、非共振的電磁漲落敏感。去相位時間 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) 同時作者對照了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T2數(shù)值拆成頻譜 作者用動力學(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)鍵對照 不同溫度下有無CoFeB的譜差異 外加磁場對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 薄膜的存在會引入額外的漲落。理論擬合結(jié)果以粗實線疊加在實驗數(shù)據(jù)上。（b）磁場對 295 K 下 CoFeB 誘導(dǎo)漲落的影響。外加磁場會改變 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“拖慢”T2對磁層噪聲的衰減 同時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 中心相干時間對 NV–CoFeB 距離的依賴關(guān)系。（a）NV 中心弛豫時間隨其與 CoFeB 薄層距離的變化關(guān)系。弛豫時間遵循與距離有關(guān)的 d^4 標(biāo)度律。（b）去相位時間隨其與 CoFeB 薄層距離的變化關(guān)系。去相位時間對距離呈現(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。實驗在鉆石表面植入約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力學(xué)診斷手段。