量子金刚石“三连击”：从反铁磁到斯格明子，NV技术正在打开新材料研究边界

最近，基于国仪量子金刚石NV平台的三项最新研究成果相继发表，研究方向横跨反铁磁自旋输运、量子传感增强与拓扑磁结构探测。

从微观磁子弛豫机制，到纳米尺度斯格明子成像，再到NV磁强计灵敏度提升，这颗“量子钻石”正逐渐成为前沿材料研究中的关键工具。

反铁磁绝缘体中的磁子（magnon）自旋输运，长期以来存在一个核心谜题：磁子自旋是如何"丢失"的？这一问题长期限制着反铁磁自旋电子学的发展。

南方科技大学李军学教授团队与北京师范大学沈卡教授合作，利用非局域自旋输运测量，在两种典型的单轴反铁磁绝缘体——Cr₂O₃和α-Fe₂O₃中，首次实验观测到了D''yakonov-Perel''（DP）型磁子自旋弛豫机制。

关键发现

• 在自旋翻转转变前，磁场诱导的一阶谐波非局域信号增强高达499%（Cr₂O₃）和459%（α-Fe₂O₃）

这一发现为低耗散反铁磁自旋电子器件的设计提供了全新理论框架。正如论文中所强调的，扫描氮空位中心显微镜（SNVM）在表征反铁磁畴结构方面发挥了关键作用——尽管Cr₂O₃(10-10)晶面因面内自旋子晶格的弱杂散场而难以成像，但在实验中研究团队结合SNVM对反铁磁畴结构进行了辅助表征。相比传统磁成像方法，NV探针能够在弱杂散场条件下提供更高灵敏度的局域磁信息，为理解磁子输运与畴结构之间的关系提供了重要依据。文章近期发表在《Nature Communications 》

量子传感器的灵敏度，往往卡在"光"这一步——金刚石NV色心的荧光光子收集效率，传统共聚焦系统通常不足0.5%。

华南师范大学团队另辟蹊径：在金刚石表面贴一层SiO₂微球，就像给NV色心戴了一副"聚光眼镜"

核心创新

• 5 μm微球实现荧光收集效率提升86.4％

• 单微球修饰使磁强计灵敏度提升2.25倍

• 单层密排多微球构型灵敏度提升达2.32倍

微球的双重魔法在于：入射端通过光子纳米射流增强532 nm泵浦激光强度（最高5.24倍）；出射端利用光学可逆性将发散的637 nm荧光准直为定向光束，突破金刚石高内全反射角的限制。

研究团队使用国仪量子SNVM完成了全部实验验证。ODMR谱线对比显示， 修饰后的信号对比度显著增强，而线宽和中心频率无系统性偏移——表明微球结构主要作用于光学收集过程，并未观察到明显谱线漂移或额外线宽展宽。

文章近期发表在《Optics & Laser Technology》

(a) 不同尺寸二氧化硅微球修饰金刚石表面的荧光光子收集率（红色柱形），与未修饰表面（蓝色柱形）的对比。

(b) 荧光收集效率提升百分比的仿真结果与实验结果对比。

(c) 采用不同直径微球后的信号对比度提升效果（红色曲线），以及连续波光探测磁共振（CW-ODMR）磁力计在不同微球尺寸下的灵敏度提升因子。

(d)、(e)、(f) 分别给出无外磁场条件下，不同直径下微球修饰金刚石表面的 ODMR 谱（红色曲线），与未修饰表面（蓝色曲线）的对比。

(g)、(h)、(i) 对 NV 色心施加定向磁场后，测得的 ODMR 谱曲线结果。

斯格明子（skyrmion）是一种纳米尺度的特殊磁结构，被认为是下一代高密度、低功耗磁存储器件的重要候选。

传统铁磁斯格明子虽然容易操控，却存在一个问题：在电流驱动下，它会发生横向“漂移”，容易撞向器件边界而消失。

于是，研究人员想到了一种更稳定的结构——合成反铁磁斯格明子（SAF skyrmion）。它由上下两层磁矩方向相反的结构组成，总磁矩几乎互相抵消，因此理论上可以消除这种漂移效应。

但新的问题来了：

如果磁矩已经“互相抵消”，系统还会不会产生拓扑霍尔效应（THE）？

广东工业大学团队在[Pt/Co/Ru]₂多层膜体系中，首次在完全补偿的SAF斯格明子体系中观测到了非零拓扑霍尔信号。

关键发现

在这项工作中，SNVM扫描NV探针显微镜成功分辨出了零场条件下SAF条纹畴与斯格明子的共存状态。相比传统MFM依赖较强杂散场信号，NV探针能够更灵敏地探测弱磁结构，这也是其在反铁磁与补偿磁体系中的重要优势。

文章近期发表在《Applied Physics Letters》

合成反铁磁样品的磁滞回线与磁畴结构。图 (a)、(b) 是磁力显微镜（MFM）图像，(c)、(d) 分别为样品 1、样品 2 的SNVM成像图。

三篇论文，三个领域，同一种技术底座。

从反铁磁自旋电子学的基础物理探索，到量子传感灵敏度的工程优化，再到拓扑磁性材料的器件应用——国仪量子金刚石NV设备正在证明：量子精密测量不是实验室里的"奢侈品"，而是驱动材料科学前沿的"基础设施"。当越来越多“看不见”的磁结构被真正看见，量子测量技术也正在从辅助工具，逐渐变成推动科学发现的新引擎。

参考文献

1.Gao, Q. et al. Observation of D''yakonov-Perel''-type magnon spin relaxation in uniaxial antiferromagnetic insulators. Nat Commun (2026).

2.Tang, J. et al. Method for improving the sensitivity of diamond NV center magnetometer based on microsphere. Opt. Laser Technol. 201, 115223 (2026).

3.Geng, X. et al. Observation of topological Hall effect in synthetic antiferromagnetic skyrmion system. Appl. Phys. Lett. 128, 101603 (2026).

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