通過金剛石量子自旋傳感器探測由自旋波介導的熱磁振子電流。說明：這張圖片顯示了 NV 中心、熱磁振子電流和低能自旋波（相干磁振子）之間的相互作用。圖片來源：JAIST 的 Toshu An

近來，可持續(xù)發(fā)展已成為有關(guān)環(huán)境問題、能源危機以及信息和通信技術(shù)研究的首要指導原則。在這方面，自旋電子器件已成為超越傳統(tǒng)技術(shù)的有希望的候選者，傳統(tǒng)技術(shù)在小型化器件中遇到了過多廢熱產(chǎn)生的問題。負責材料電和磁特性的電子“自旋”正被用于開發(fā)下一代節(jié)能和微型自旋電子器件。這項新技術(shù)的核心是“磁振子”，即自旋激發(fā)波的量子，它們的檢測是該領(lǐng)域進一步發(fā)展的關(guān)鍵。最近，在自旋電子學領(lǐng)域，

與此同時，金剛石中的氮空位 (NV) 中心，基本上是由氮原子與相鄰晶格空位配對組成的點缺陷，已成為高分辨率量子傳感器的關(guān)鍵。有趣的是，最近，已經(jīng)證明 NV 中心可以檢測相干磁振子。然而，使用 NV 中心通過熱量檢測熱激發(fā)磁振子是困難的，因為熱磁振子具有比 NV 中心的自旋態(tài)高得多的能量，從而限制了它們的相互作用。

現(xiàn)在，在《應用物理評論》上發(fā)表的一項合作研究中，來自日本高級科學技術(shù)學院 (JAIST) 的副教授 Toshu An 和博士 Dwi Prananto。來自 JAIST 的研究生，以及來自日本京都大學和日本國家材料科學研究所的研究人員，通過使用基于金剛石的量子傳感器，成功地在磁性絕緣體釔鐵石榴石(YIG) 中檢測到了這些高能磁振子。 NV 中心。

為了實現(xiàn)這一壯舉，該團隊使用相干、低能磁振子和 NV 中心之間的相互作用作為檢測熱激發(fā)磁振子的間接方法。事實證明，熱磁振子產(chǎn)生的電流通過對低能磁振子施加扭矩來改變它們，該扭矩可以被 NV 中心拾取。因此，該方法提供了一種通過觀察相干磁振子的變化來檢測熱磁振子的方法。

為了證明這一點，研究人員設置了一個 YIG 石榴石樣品，在樣品表面的末端放置了兩個金天線，并在靠近表面的樣品中心放置了一個小型鉆石傳感器。然后，他們使用微波建立與樣品中相干磁振子相對應的低能自旋波，并通過在樣品上產(chǎn)生溫度梯度來產(chǎn)生熱磁振子。果然，金剛石傳感器捕捉到了由感應熱磁振子電流引起的相干磁振子的變化。

檢測具有 NV 中心的熱磁振子的能力特別有利，正如 An 博士解釋的那樣：“我們的研究提供了一種檢測熱磁振子電流的工具，該工具可以在自旋波的較寬距離范圍內(nèi)局部放置。這是不可能的使用傳統(tǒng)技術(shù)，需要相對較大的電極和與自旋波距離最近的特定配置。”

這些發(fā)現(xiàn)不僅可以為量子傳感開辟新的可能性，還可以為其與自旋熱電子學的整合鋪平道路。“我們的工作可以為熱源控制的 自旋電子器件奠定基礎，”An 博士說。