[论文解读] Revealing Emergent Magnetic Charge in an Antiferromagnet with Diamond Quantum Magnetometry

A. Tan, Hariom Jani+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2023

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles被引用 4

一句话总结

本研究展示了钻石量子磁力计（DQM）能够直接探测赤铁矿（α-Fe₂O₃）反铁磁体中出现的磁荷分布，通过映射自旋倾斜矩产生的漏磁场，揭示了单极、偶极和四极磁荷结构。其核心贡献在于实验实现了自旋涡度与出现磁荷之间的对偶性，确立了DQM作为探测量子材料中拓扑自旋结构的变革性工具。

ABSTRACT

Whirling topological textures play a key role in exotic phases of magnetic materials and offer promise for logic and memory applications. In antiferromagnets, these textures exhibit enhanced stability and faster dynamics with respect to ferromagnetic counterparts, but they are also difficult to study due to their vanishing net magnetic moment. One technique that meets the demand of highly sensitive vectorial magnetic field sensing with negligible backaction is diamond quantum magnetometry. Here, we show that the archetypal antiferromagnet, hematite, hosts a rich tapestry of monopolar, dipolar and quadrupolar emergent magnetic charge distributions. The direct readout of the previously inaccessible vorticity of an antiferromagnetic spin texture provides the crucial connection to its magnetic charge through a duality relation. Our work defines a novel paradigmatic class of magnetic systems to explore two-dimensional monopolar physics, and highlights the transformative role that diamond quantum magnetometry could play in exploring emergent phenomena in quantum materials.

研究动机与目标

• 为解决由于反铁磁体净磁矩为零而难以探测其拓扑非平凡自旋结构的挑战。
• 通过矢量磁场传感，建立反铁磁体中自旋涡度与出现磁荷之间的直接实验关联。
• 证明钻石量子磁力计（DQM）能够分辨赤铁矿等自旋倾斜反铁磁体中此前无法探测的磁荷分布。
• 通过定量磁场成像与磁化强度重构，验证自旋结构涡度与出现磁荷之间的对偶性。
• 探索反铁磁体系中出现磁荷的拓扑分类，区分单极与四极结构。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮-空位（NV）中心作为超灵敏矢量磁场传感器，在低温与室温下测绘赤铁矿（α-Fe₂O₃）的漏磁场。
• 采用光学探测磁共振（ODMR）测量NV中心自旋亚能级的塞曼分裂，实现对局部磁场的高灵敏度探测。
• 采用扫描NV磁力测量技术，实现亚100 nm的空间分辨率，成像样品表面之上的磁场z分量（Bz）。
• 应用基于正则化的逆问题方法，通过固定大小掩模的最小化协议，从测得的Bz图中重构平面内自旋倾斜磁化强度（m_xy）。
• 利用自旋倾斜磁化强度（l）的涡度与出现磁荷之间的对偶关系，将重构的磁场图解释为拓扑磁荷分布。
• 开展原位与原位外磁场循环实验，探测如单极子与反单极子等拓扑自旋结构的动力学与湮灭行为。

Figure 1: Signatures of emergent magnetic field in hematite $\alpha$ -Fe 2 O 3 . (a) Atomic structure of $\alpha$ -Fe 2 O 3 (Fe and O atoms in yellow/green and grey spheres respectively). (b) Discrete representation of the alternating FM sublattice magnetisation $\vec{M_{1}}$ (yellow cones) and $\ve

实验结果

研究问题

• RQ1 钻石量子磁力计能否分辨净磁矩为零的反铁磁体中出现的磁荷分布？
• RQ2 赤铁矿中自旋倾斜磁化的涡度与出现磁荷分布之间存在何种关系？
• RQ3 反铁磁结构（如a-Bloch单极子与反单极子）中出现磁荷的拓扑性质是什么？
• RQ4 DQM成像能否区分反铁磁体中拓扑等价但电荷相反的磁单极子及其四极对应物？
• RQ5 从漏磁场测量中，多大程度上能够高保真度地重构自旋倾斜磁化强度及其相关漏磁场？

主要发现

• DQM成功测绘了赤铁矿表面的漏磁场（Bz），揭示了与拓扑自旋结构（如a-Bloch单极子与反单极子）相关的显著磁场特征。
• 从Bz图中重构的自旋倾斜磁化强度（m_xy）证实了右旋（逆时针）a-Bloch单极子的存在，其伴随空间扩展的出现磁单极子。
• 研究发现，正负电荷的单极子结构在拓扑上等价，而其反粒子则表现出磁四极子特征。
• 在4 K与300 K下的磁场成像显示，在磁相变温度（T_M）附近磁场图案存在明显差异，表明拓扑自旋结构的稳定性具有温度依赖性。
• 原位与原位外磁场循环实验表明单极子与反单极子发生湮灭，证实了所观测结构的拓扑本质。
• 室温下的大范围成像证实了右旋与左旋a-Bloch单极子共存，表明赤铁矿中不存在手性相互作用。

Figure 2: Classification of topological AFM textures via DQM. (a-c) Topological AFM textures observed below $T_{\mathrm{M}}$ . Distinct $B_{z}$ signature of an ADW simulated (a) and measured (b) above the sample surface. The reconstructed $\vec{m}_{xy}$ (black arrows) from (b) and its $B_{z}$ distri