[論文レビュー] Probing near-field EM fluctuations in superparamagnetic CoFeB with NV quantum dephasometry

Shoaib Mahmud, Wei Jian Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2026

Magnetic properties of thin films被引用数 0

ひとこと要約

NVセンタの量子ディフェージョンを用いて、ダイヤモンド上の1.1 nmのCoFeB層からのMHz帯域の近場電磁場フラクチュエーションを非侵襲的に探査し、超順磁性ドメインの反転による非単調な温度依存性を明らかにし、距離依存のノイズ成分を詳述します。

ABSTRACT

Superparamagnetism in nanoscale magnetic layers is a critical property for a wide range of spintronic-based sensor and computing applications. While conventional magnetization measurements can detect superparamagnetic signatures, they often require the application of high perturbative fields and are difficult to implement for magnetic layers integrated within functional devices. In this study, we non-invasively investigate the superparamagnetic spin dynamics of a nanoscale CoFeB layer of thickness 1.1 nm, deposited on a diamond substrate, by probing its low-frequency near-field electromagnetic (EM) fluctuations using nitrogen-vacancy (NV) centers-based quantum dephasometry. Our measurements reveal an unconventional, non-monotonic temperature dependence of the dephasing time of NV centers, which we attribute to EM fluctuations produced by thermally driven superparamagnetic domain flipping in CoFeB. Our findings are further supported by the theoretical interpretation of the dephasing dynamics of NV centers and the complementary SQUID-based magnetization characterizations of the CoFeB layer. Additionally, exploiting the technique of NV dephasometry, we extract the spectral density of the EM fluctuations in CoFeB, which is used to isolate different components of the EM fluctuations acting on NV centers. We also measure the CoFeB-to-NV distance-dependent coherence times of NV centers to investigate the effect of the dimensionality of the CoFeB layer on the generated near-field EM fluctuations. These results provide critical insight into the magnetization dynamics and near-field EM environment of nanoscale magnetic layers. It also has significant implications for the development of hybrid quantum spintronic devices and applications involving nanoscale opto-magnetic materials.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド上に堆積した超薄CoFeB層の超順磁スピンダイナミクスを非侵襲的な方法で調べる。
• NVセンター基盤の量子ディフェージョンを用いて低周波の近場電磁フラクチュエーションを測定し、そのスペクトル密度を抽出する。
• NVディフェージョンと磁化率および近場グリーン関数を結ぶ理論的枠組みを提供し、SQUID磁化データで裏付ける。
• EMフラクチュエーションスペクトルを内的核ノイズ/欠陥分布ノイズ、ドメイン反転ノイズ、その他ノイズに分解する。
• NV-CoFeB分離距離がコヒーレンス時間に与える影響を検討し、ナノスケール磁性層の次元性効果を理解する。

提案手法

• NV層が約50 nm深さのダイヤモンド上に超薄1.1 nmのCoFeB層を形成し、NV-CoFeB距離を設定する制御済みのSiO2スペーサを用意する。
• 光学初期化/読出しとマイクロ波制御を用いたNVセンタースピンキュービットでリラクゼーション測定（T1）とディフェージョン測定（T2）を行う。
• 量子リラクゼーション測定を用いて共鳴GHz帯のフラクチュエーションを探り、位相コヒーレンス減衰を介して低周波域（MHz帯）のEMフラクチュエーションをディファインする。
• グリーン関数系とゆらぎ緩和定理を用いてS(ω)をIm[χ(q,ω)]と関連付け、EMノイズをモデル化する。
• 全ノイズS(f)を内的ノイズ（S_intr）、ドメイン反転ノイズ（S_dom）、その他ノイズ（S_other）にローレンツ型で分解する。
• dとともなるT1とT2の距離スケーリングを調べ、準二次元的な層ジオメトリで解釈する。

Figure 1: Magnetization responses of nanoscale CoFeB layers. (a) A 1.1 nm thick CoFeB deposited diamond sample with an embedded NV layer. For a CoFeB layer with such thickness, superparamagnetism arises due to the formation of nanoscale magnetic elements with a smaller anisotropy barrier energy ( $E

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV量子ディフェージョンは超順磁性CoFeBドメイン由来のMHz帯域近場EMフラクチュエーションを検出できるか。
• RQ2 温度は超薄CoFeB付近のNV T2にどのような影響を与え、超順磁性からブロック状態への遷移を示すか。
• RQ3 CoFeB-NVの分離距離は緩和・ディフェージョンスペクトルにどう影響し、異なるノイズ成分を識別できるか。
• RQ4 近場フラクチュエーションを内核/欠陥ノイズ、ドメイン反転ノイズ、他の寄与へとスペクトル分解できるか。

主な発見

• NV T2は温度依存性が非単調で約150 K付近に最小値を示し、臨界的な超順磁性フラクチュエーションを示す。一方で同じ領域でT1は反対の傾向を示す。
• スペクトル解析によりドメイン反転ノイズ（S_dom）がMHz帯で寄与していることを特定し、S_intrとS_otherはそれぞれ核/欠陥ノイズと他ノイズを説明する。
• 緩和時間T1は距離の四乗に近いスケール（d^4）で、ディフェージョン時間T2は約d^2でスケールし、CoFeB層が準二次元的であることを裏付ける。
• スペクトル密度の適合から、異なるノイズ成分が距離とともにどのように減衰するかを明らかにし、ドメイン反転フラクチュエーションと核スピンノイズの分離を可能にする。
• フェルミ磁性CoFeB（厚い層）ではS_domフラクチュエーションが現れず、超順磁磁性とフェル磁性領域のノイズ署名が異なることを示す。

Figure 2: NV-based quantum spectroscopy of near-field EM fluctuations: Relaxometry vs. Dephasometry. (a) Schematic illustration of the spectroscopy of near-field EM fluctuations with NV center spin qubits in diamond. A CoFeB layer is deposited on the diamond sample, with variable distances (d1, d2,