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什么是反铁磁材料

 

图一：反铁磁磁矩排列

 

常见的铁性有铁磁性、铁电性、铁弹性。同时具有两种或以上铁性的材料被称为多铁材料，多铁通常具有很强的铁性耦合性能，即可以通过材料的一种铁性调控另一种铁性，如利用外加电场调控材料的铁电性能从而影响材料的铁磁性能。这类多铁材料有望成为下一代电子自旋器件。其中反铁磁材料因其表现出对外加磁场很好的鲁棒性而被人广泛的研究。

 

反铁磁性是材料的一种磁性，磁矩反平行交错有序排列，不表现宏观的净磁矩，这种磁有序状态称为反铁磁性。在反铁磁性物质内部，相邻价电子的自旋趋于相反方向，不会产生磁场。具有反铁磁性的物质比较不常见，大多数只存在于低温下，例如氧化亚铁、铁锰合金、镍合金、稀土合金、稀土硼化物等，但也有室温下的反铁磁材料，如目前研究较为火热的BiFeO3。

 

 

反铁磁材料的应用前景

 

对反铁磁的认知主要得益于中子散射技术的发展，因此我们能够“看见”材料中自旋的排列方式，从而确认反铁磁的真实存在。1930年，奈尔先生就做了反铁磁性的奠基性工作，直到1970年该工作才获得诺贝尔物理学奖，其原因也许就在于当时大多数研究者觉得反铁磁没多大用处。可能铁磁材料的研究大厦近乎完成，又可能是诺贝尔物理学奖的鼓舞，研究者们开始把目光聚焦于反铁磁材料，反铁磁的研究与价值逐渐被挖掘。

 

反铁磁材料不易受电离及磁场的干扰，特征频率以及状态转换频率比典型的铁磁材料要高几个数量级且半导体中的反铁磁有序比铁磁有序更易观测到。这些优点使得反铁磁材料成为极具吸引力的自旋电子材料。

 

新一代的磁随机存储器用电学方法对铁磁体进行信息的写入与读取，这可能会降低铁磁体的抗扰力，不利于数据的稳定存储，铁磁材料的杂散场也会成为高集成度存储器的一大障碍。相反，反铁磁体净磁化为零，不会产生杂散场，且对外场不敏感，因此，基于反铁磁体的存储器完美的解决了铁磁存储器的问题，成为极具吸引力的潜在存储器材料。

 

图二：磁随机存储器（图片来源于百度）

 

 

反铁磁磁畴的观测

 

反铁磁磁畴的研究离不开观测技术，常用的磁畴观测手段有：磁力显微镜（MFM），使用磁性针尖，利用原子力显微镜技术记录样品表面磁场作用力；Ｘ射线显微镜，原理是Ｘ射线的吸收率能够反映样品的磁场；磁光克尔显微镜（Moke），利用磁光克尔效应测量磁化分布。虽然每种成像方法的技术已经发展的炉火纯青，但由于反铁磁磁性较弱，这些手段在灵敏度方面都不足达到单自旋探测，很难观测到反铁磁的磁畴结构。

 

近年来，金刚石中一种特殊的缺陷结构：氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心吸引了广大研究人员的目光。通过微波与激光对NV色心电子自旋所处量子态实行操纵与读出，可以获得对应NV轴向上磁场分量的强度。NV扫描探针显微镜就是将金刚石中的NV色心集成到AFM探针尖端，结合AFM扫描技术，可以获得样品表面的磁畴结果，其优点在于拥有极高的灵敏度（1 T/Hz1/2）、空间分辨率（10 nm）和非侵入性。

 

铁酸铋BiFeO3（BFO）属于多铁材料的一种，具有铁电性和反铁磁性，同时伴随弱的铁磁性，是当前多铁材料研究的热点之一。高分辨率的中子衍射研究发现BFO具有周期为64 nm的空间磁结构。2017年，I. Gross等研究者借助NV扫描探针显微镜对室温下BFO薄膜中的反铁磁序进行了观测，实验结果观测到约70 nm周期的自旋摆线磁结构，如图三所示。

 

图三：I.Gross等人利用NV扫描探针显微镜观测BFO周期性磁结构

（图片来源：I.Gross et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer, Nature , 2017, 549:252)

 

图四：F. Aurore等人利用NV扫描探针显微镜观测反铁磁结构及斯格明子

（图片来源：F. Aurore et al.  Imaging non-collinear antiferromagnetic textures via single spin relaxometry, Nature communications, 2012, 12:767）

 

此外，2021年，F. Aurore 等研究者同样利用NV扫描探针显微镜对合成型反铁磁中磁畴壁、斯格明子等磁结构进行了观测，如图四所示。该实验结果说明NV扫描探针显微镜技术可以推广到其他反铁磁体，为研究磁学局域自旋波提供新的机会。

 

图五：NV扫描探针显微镜研究CuMnAs反铁磁畴

（参考文献：M. S. Wörnle et al. Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains arXiv:2019, 1912.05287）

 

M. S. Wörnle使用NV扫描探针显微镜研究了电流脉冲对CuMnAs反铁磁畴结构构产生的影响，研究表明大的电阻变化与写入电流脉冲引起的磁畴的纳米级碎裂有关。通过对具有交叉几何结构的CuMnAs微器件中电流密度分布的成像，进一步证明了电流引起的磁畴结构的变化是不均匀的。

 

图六：NV扫描探针显微镜用于反铁磁Cr2O3.的研究

（图片来源：W. S. Huxter et al. Scanning gradiometry with a single spin quantum magnetometer，arXiv:2202.09130v1）

 

此外，Cr2O3也是报道较早的多铁材料，室温下也具有反铁磁性。2022年，W. S. Huxter等人利用NV扫描探针显微镜的梯度扫描技术，在Cr2O3表面的原子台阶上测到了微特斯拉量级的静磁场分布图像。

 

NV扫描探针显微镜的优点在于拥有单个自旋的高灵敏度（1uT/Hz1/2）和纳米级的空间分辨率（10 nm）。此外NV色心的光、热稳定性都非常好且对生物友好，可实现定量无损的磁学成像。并且可在多种条件特别是常温下正常工作，也非常适合作为生命科学的磁成像工具。

 

目前，国仪量子已推出商用NV扫描探针显微镜—量子钻石原子力显微镜（Quantum diamond atomic force microscope, QDAFM），具有非侵入性、可覆盖宽温区、大磁场测量范围等优势。可应用于二维材料磁成像、纳米电流成像、超导涡旋磁成像、细胞磁成像，在量子科学、化学与材料科学以及生物和医疗等研究领域有着广泛的应用前景。

 

图七：量子钻石原子力显微镜