金刚石量子传感器检测受热激发的“磁流”

通过金刚石量子自旋传感器探测由自旋波介导的热磁振子电流。说明：这张图片显示了 NV 中心、热磁振子电流和低能自旋波（相干磁振子）之间的相互作用。图片来源：JAIST 的 Toshu An

近来，可持续发展已成为有关环境问题、能源危机以及信息和通信技术研究的首要指导原则。在这方面，自旋电子器件已成为超越传统技术的有希望的候选者，传统技术在小型化器件中遇到了过多废热产生的问题。负责材料电和磁特性的电子“自旋”正被用于开发下一代节能和微型自旋电子器件。这项新技术的核心是“磁振子”，即自旋激发波的量子，它们的检测是该领域进一步发展的关键。最近，在自旋电子学领域，

与此同时，金刚石中的氮空位 (NV) 中心，基本上是由氮原子与相邻晶格空位配对组成的点缺陷，已成为高分辨率量子传感器的关键。有趣的是，最近，已经证明 NV 中心可以检测相干磁振子。然而，使用 NV 中心通过热量检测热激发磁振子是困难的，因为热磁振子具有比 NV 中心的自旋态高得多的能量，从而限制了它们的相互作用。

现在，在《应用物理评论》上发表的一项合作研究中，来自日本高级科学技术学院 (JAIST) 的副教授 Toshu An 和博士 Dwi Prananto。来自 JAIST 的研究生，以及来自日本京都大学和日本国家材料科学研究所的研究人员，通过使用基于金刚石的量子传感器，成功地在磁性绝缘体钇铁石榴石(YIG) 中检测到了这些高能磁振子。 NV 中心。

为了实现这一壮举，该团队使用相干、低能磁振子和 NV 中心之间的相互作用作为检测热激发磁振子的间接方法。事实证明，热磁振子产生的电流通过对低能磁振子施加扭矩来改变它们，该扭矩可以被 NV 中心拾取。因此，该方法提供了一种通过观察相干磁振子的变化来检测热磁振子的方法。

为了证明这一点，研究人员设置了一个 YIG 石榴石样品，在样品表面的末端放置了两个金天线，并在靠近表面的样品中心放置了一个小型钻石传感器。然后，他们使用微波建立与样品中相干磁振子相对应的低能自旋波，并通过在样品上产生温度梯度来产生热磁振子。果然，金刚石传感器捕捉到了由感应热磁振子电流引起的相干磁振子的变化。

检测具有 NV 中心的热磁振子的能力特别有利，正如 An 博士解释的那样：“我们的研究提供了一种检测热磁振子电流的工具，该工具可以在自旋波的较宽距离范围内局部放置。这是不可能的使用传统技术，需要相对较大的电极和与自旋波距离最近的特定配置。”

这些发现不仅可以为量子传感开辟新的可能性，还可以为其与自旋热电子学的整合铺平道路。“我们的工作可以为热源控制的 自旋电子器件奠定基础，”An 博士说。