[论文解读] Quantum Sensing of Spin Transport Properties of an Antiferromagnetic Insulator

Hailong Wang, Shu Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 44被引用 5

一句话总结

本研究展示了一种利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 缺陷非侵入式探测反铁磁绝缘体 α-Fe₂O₃ 内在自旋输运特性的量子传感方法。通过 NV 老化谱测量时间依赖的纵向自旋密度涨落，作者提取出内在自旋扩散系数为 0.025 cm²/s，验证了理论模型，并确立了 NV 传感器在研究高频磁性材料自旋动力学方面的强大能力。

ABSTRACT

Antiferromagnetic insulators (AFIs) are of significant interest due to their potential to develop next-generation spintronic devices. One major effort in this emerging field is to harness AFIs for long-range spin information communication and storage. Here, we report a non-invasive method to optically access the intrinsic spin transport properties of an archetypical AFI α-Fe2O3 via nitrogen-vacancy (NV) quantum spin sensors. By NV relaxometry measurements, we successfully detect the time-dependent fluctuations of the longitudinal spin density of α-Fe2O3. The observed frequency dependence of the NV relaxation rate is in agreement with a theoretical model, from which an intrinsic spin diffusion constant of α-Fe2O3 is experimentally measured in the absence of external spin biases. Our results highlight the significant opportunity offered by NV centers in diagnosing the underlying spin transport properties in a broad range of high-frequency magnetic materials, which are challenging to access by more conventional measurement techniques.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入式方法，用于探测反铁磁绝缘体（AFI）中的内在自旋输运特性，这类材料有望用于下一代自旋电子器件。
• 克服传统技术在无外部自旋偏置条件下测量高频磁性材料中自旋输运特性的局限性。
• 通过量子传感实验确定 α-Fe₂O₃ 的自旋扩散系数，为 AFI 中内在自旋输运提供基准参考。
• 通过实验 NV 老化谱测量验证 AFI 中自旋弛豫的理论模型。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 缺陷作为量子传感器，探测 α-Fe₂O₃ 中的局部磁涨落。
• 实施 NV 老化谱技术，测量 NV 自旋在响应 AFI 中纵向自旋密度涨落时的时间依赖弛豫速率。
• 应用描述自旋扩散与弛豫动力学的理论模型，解释测得的 NV 弛豫速率的频率依赖性。
• 利用光学探测 NV 自旋态，实现对自旋涨落的监测，无需外部自旋注入或偏置。
• 分析频率依赖的 NV 弛豫速率，从实验数据中提取内在自旋扩散系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石中的 NV 缺陷能否用于非侵入式探测反铁磁绝缘体的内在自旋输运特性？
• RQ2 在无外部自旋偏置条件下，α-Fe₂O₃ 的内在自旋扩散系数是多少？
• RQ3 AFI 中自旋弛豫的理论模型对实验观测到的 NV 弛豫动力学的描述精度如何？
• RQ4 量子传感能否解析传统技术无法探测的高频磁性材料中的自旋输运？

主要发现

• NV 老化谱测量成功检测到 α-Fe₂O₃ 中纵向自旋密度的时间依赖涨落。
• NV 弛豫速率的频率依赖性与理论模型预测一致，证实该模型在描述 AFI 中自旋动力学方面的有效性。
• 在无外部自旋偏置条件下，实验测得 α-Fe₂O₃ 的内在自旋扩散系数为 0.025 cm²/s。
• 结果表明，利用 NV 缺陷诊断一系列高频磁性材料中的自旋输运具有可行性。