色心磁强计实现等频自旋波成像：各向异性调控磁子自旋电子学新突破

《Nature Communications》：Isofrequency spin-wave imaging using color center magnetometry for magnon spintronics

本研究针对自旋波成像中传感器与调控磁场频率耦合的难题，提出通过色心各向异性轴与磁膜硬轴正交的策略，实现传感器自旋频率与自旋波频谱的一阶解耦。利用金刚石NV中心与六方氮化硼VB中心的互补频率范围，首次实现了磁场调控自旋波的等频成像，并揭示了磁边缘弯曲织构对自旋波传输的调控机制。该技术为磁子器件设计与非易失磁态操控提供了新工具。

　　

在信息技术的微型化浪潮中，传统电子器件面临热耗散与量子极限的挑战。磁子自旋电子学（Magnon Spintronics）应运而生，旨在利用自旋波（Spin Wave）——磁性材料中集体自旋激发的波动——作为信息载体。自旋波具有低阻尼、非互易传输和微波频段微米级波长等优势，有望实现低功耗、高集成度的微波控器件。然而，其实际应用亟需高分辨率成像技术以可视化自旋波动力学及底层磁织构。

当前，基于色心（Color Center）的量子磁强计（如金刚石中的氮空位（NV）中心和六方氮化硼（hBN）中的硼空位（VB_B）中心）因其纳米级空间分辨率和单自旋灵敏度，成为探测自旋波磁杂散场的理想工具。但该技术存在两大瓶颈：首先，调控自旋波所需的磁场会改变传感器自旋的共振频率；其次，色心固有的零场劈裂（Zero-Field Splitting）限制了可探测频率范围。如何在不干扰自旋波的前提下实现宽频段成像，是领域内的核心难题。

针对这一挑战，荷兰代尔夫特理工大学Samuel Manas-Valero团队在《Nature Communications》发表研究，提出“一阶解耦”策略：通过选择各向异性轴垂直于磁膜平面的色心（如NV和VB_B中心），使传感器频率对面外磁场敏感，而自旋波频谱对面内磁场敏感，从而实现二者独立调控。团队利用NV中心（零场劈裂D=2.87 GHz）和VB_B中心（D=3.5 GHz）的互补频率覆盖，首次实现了磁场调控自旋波的等频成像（Isofrequency Imaging），并揭示了磁边缘弯曲织构对自旋波传输的调控机制。

关键技术方法

研究采用扫描金刚石针尖单NV中心与hBN薄膜VB_B系综协同探测，通过微波微带线激发坡莫合金（Permalloy）薄膜中的自旋波。利用色心光致发光（Photoluminescence, PL）对电子自旋共振（ESR）的响应映射磁场的空间分布，结合微磁模拟（Mumax3）解析自旋织构，并通过快速傅里叶变换（FFT）提取自旋波波长。

一阶解耦实现等频成像

研究团队通过理论推导与实验验证表明，当色心各向异性轴垂直于磁膜时，其ESR频率对平行于该轴的磁场呈一阶线性响应（图1c），而对垂直磁场仅呈二阶响应（图1d）。相反，自旋波频谱因形状各向异性对面内磁场敏感，对面外磁场不敏感。这种几何配置使传感器频率与自旋波波长可独立调控。

实验通过金微带线激发Damon-Eshbach自旋波，在固定驱动频率（NV：2.87 GHz，VB_B：3.44–3.55 GHz）下，通过调节面内磁场强度（0–2 mT）实现自旋波波长从3 μm至20 μm的连续调控（图2f-h）。成像结果与基于Landau-Lifshitz方程的计算高度吻合，证实了解耦策略的有效性。值得注意的是，自旋波信号在金属微带线下仍清晰可见，凸显了磁探测穿透不透明材料的优势。

磁半平面中的各向异性调控与织构依赖传输

为进一步模拟实际器件中的边缘效应，研究团队制备了坡莫合金半平面结构（图3a-b）。通过扫描NV探针，发现当磁场沿边缘方向（φ=90°）时，自旋波波长空间均匀；而当磁场垂直边缘（φ=0°）时，波长在边缘附近显著变化（图3c-e）。这一现象归因于边缘处形成的弯曲磁织构（Curling Texture）。通过分析自旋波波长随磁场角度和强度的变化（图3e-f, 图4），团队提取出薄膜存在约1 mT的面内各向异性场（B_K），其方向（φ_K=73°）打破了系统的镜像对称性。

磁场旋转历史依赖的双稳态织构

研究首次发现，通过控制面内磁场的旋转方向（顺时针vs逆时针），可在磁边缘确定性制备双稳态织构（图5a）。逆时针旋转后，静态场B_z呈单峰分布，对应均匀弯曲织构；顺时针旋转则出现双峰分布，伴随奈尔畴壁（Néel Domain Wall）形成（图5b）。微磁模拟再现了这两种织构（图5c），并表明各向异性是畴壁成核的关键。与之对应，自旋波在两种织构中传输特性迥异：弯曲织构中对比度平滑变化，而畴壁存在处出现锐利峰值。

结论与展望

本研究通过色心各向异性与磁膜硬轴的几何匹配，解决了自旋波成像中频率耦合的长期难题，建立了等频成像的通用范式。VB_B与NV中心的协同使用拓展了探测频率范围，未来可通过硅碳化物硅空位（Silicon Vacancy in SiC）等色心进一步覆盖更宽频段。对磁边缘织构与自旋波传输的关联研究，揭示了各向异性工程在磁子器件设计中的潜力，为调控斯格明子（Skyrmion）等拓扑织构中的自旋波提供了新思路。该技术将推动高频磁子电路、非互易传输器件及自旋波计算等前沿领域的发展。