二维铁磁体Fe3GeTe2中临界涨落的量子传感与噪声谱研究

本研究针对二维磁性材料中临界涨落与标度理论的实验验证难题，利用氮空位（NV）中心量子退相干成像技术，首次在Fe3GeTe2（FGT）中观测到临界温度附近噪声谱从白噪声到1/f噪声的跨跃现象，建立了通过临界涨落研究相变动力学的新范式，为精确测定临界指数提供了新方法。

　　

在凝聚态物理领域，相变和临界现象一直是核心研究课题。当系统接近临界温度时，关联长度和关联时间会发散，产生以幂律奇异性为特征的临界现象。尽管标度理论和临界指数的研究已持续半个多世纪，但实验上直接探测这些微观参数仍面临巨大挑战——尤其是同时具备空间和时间分辨率的技术手段匮乏。二维磁性材料Fe₃GeTe₂（FGT）作为典型的范德瓦尔斯磁体，其从顺磁到铁磁的相变过程为研究临界行为提供了理想平台。然而，如何通过实验手段直接观测临界涨落，并建立其与标度理论的联系，仍是未解的难题。

以往研究虽已通过氮空位（NV）中心探测到临界涨落的存在，但未能揭示其物理机制，更未与标度理论建立定量关联。针对这一空白，中国科学技术大学杜江峰院士团队开展了一项突破性研究，通过量子退相干成像技术成功解析了FGT中的临界涨落特性，相关成果发表于《Nature Communications》。

本研究主要采用以下技术方法：1）基于氮空位中心的宽场量子显微镜系统，实现低温环境下对自旋涨落的时空分辨探测；2）Hahn-echo脉冲序列与连续波光谱技术，分别用于动态涨落测量和静态磁场成像；3）六方氮化硼（hBN）间隔层精确控制NV中心与样品间距；4）对8个不同厚度（10-90 nm）的FGT样品进行系统性测量。

研究结果主要包括：

动态和静态磁强计在顺磁和铁磁状态下的表现

通过Hahn-echo序列测量NV中心的退相干曲线，发现FGT覆盖区域的退相干时间T₂显著缩短，拉伸指数α从无FGT区域的1.5降至0.7-0.8，表明磁噪声源于FGT的热驱动自旋涨落。

T₂分布及其温度依赖性

统计分析显示T₂分布呈现双峰特征，对应FGT覆盖与未覆盖区域。随着温度接近T_c，所有样品的T₂均单调下降，证实磁噪声增强与临界涨落相关。

2分布及其温度依赖性'>

跨越临界点的NV中心相干性

通过插入hBN间隔层调节NV-FGT距离，成功测量了跨越T_c的完整退相干曲线。发现退相干率Γ在T_c处达到峰值，且在MHz频段噪声强度高达数百kHz，远超过先前弛豫测量结果。

通过噪声谱分析的理论解释

基于标度理论提出噪声谱经验公式S(ω)=A/(ω₀^μ-1+ω^μ)，其中ω₀～|(T-T_c)/T_c|^2ν为特征频率。实验数据与理论高度吻合，首次观测到ω₀～0.05处从白噪声到1/f噪声的跨跃（μ=1.81），对应关联时间约2.5 μs。

研究结论表明，临界涨落产生随机磁场，其噪声谱在临界温度附近发生显著变化。本研究建立的理论框架成功将退相干率与噪声谱及传感器-样品间距定量关联，首次实验揭示了从白噪声到1/f噪声的跨跃行为。这些发现为通过临界涨落研究相变动力学提供了新方法，使长程关联临界指数的精确测定成为可能。该 methodology 有望推动对各类物理系统中临界现象的理解，为二维磁性材料、量子自旋体系等研究开辟新途径。