中国科大实现二维层状磁体中临界涨落噪声的量子传感
近日，我校物理学院石发展教授、合肥微尺度物质科学国家研究中心曾华凌教授和物理学院龚明教授团队合作，利用金刚石氮-空位（NV）色心量子传感技术，首次在实验上揭示了二维铁磁材料Fe₃GeTe₂在相变临界点的磁噪声谱演化规律，并成功建立了临界涨落与标度理论的直接关联。相关研究成果于9月29日以“Critical fluctuations and noise spectra in two-dimensional Fe₃GeTe₂ magnets”为题于发表于《自然·通讯》[Nature Communications16, 8585 (2025)]。
近年来，随着二维材料研究的深入，二维磁性材料的相变已成为凝聚态物理的核心问题。尽管实验上已经确定了它们的相变行为和相图，但相变机制及临界行为尚未在实验上得到精确测量。根据标度理论，相变临界点附近的宏观物理量（如磁化强度、磁化率、比热等）会出现临界行为，其本质源于自旋的时间关联和空间关联效应，相应地，这些行为可以用临界指数描述。一般来说，越靠近临界点，涨落效应越显著。临界点附近的涨落与远离临界点的涨落的噪声谱形式截然不同。研究临界涨落可以定量测定微观量的临界指数，为验证标度理论的普适性及揭示二维磁体相变的临界动力学提供关键实验证据。
金刚石NV色心是研究这些涨落效应的重要手段。当将NV色心放置在二维磁性材料表面时，其会感知材料附近随机磁场的变化，这些变化可通过测量NV色心的退相干时间来确定。研究发现，在相变点附近，涨落表现为典型的1/f噪声；而远离相变点时，涨落则表现为正常的白噪声。实验上观测到了从白噪声到1/f噪声的转变，并首次在真实物理体系中测得了临界涨落的弛豫时间（约化温度t=0.05时，自旋翻转频率约为0.4 MHz）。该量子传感技术为建立临界涨落与标度理论的实验关联提供了新范式，凸显了从微观动力学角度刻画相变过程的研究价值。
图1：（a）实验设计构型图。hBN-FGT-hBN结构转移到含系综NV色心的金刚石薄片的表面。（b）不同约化温度下，NV色心退相干率的变化。FGT中临界涨落在频率Γ处的噪声谱密度ω=Γ。图中的转变（t=0.05，ω= 0.4 MHz）恰为FGT体系噪声谱特征转变的频率。
该联合团队近年来基于NV色心量子传感技术在二维磁性研究领域开展了一系列工作。2023年，团队系统研究了Fe₃GeTe₂在临界点附近的热激活自旋翻转现象 [Commun. Phys.6, 351 (2023)]；随后，他们研究了Fe4GeTe₂的磁各向异性（即面内和面外）转变 [Nano Lett.24, 5754 (2024)]。本工作是基于前期研究基础完成。这些研究进展表明，NV色心是研究固体相变的理想实验平台，基于NV色心量子传感技术能够精确测量磁涨落与距离、温度等参数的关系。目前实验进展表明，该研究领域仍需发展新理论来描述涨落效应与测量物理量之间的定量关系，以便更清晰地理解其物理意义。未来，相关研究可拓展至铁电、超导等领域。这些研究将有望推动对相变微观机制的认识，该团队将继续沿此方向深入探索。
中国科学技术大学博士生李玉鑫、特任副研究员丁哲、博士王琛为本论文共同第一作者，石发展、曾华凌和龚明三位教授为共同通讯作者。这项研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、科技创新2030重大项目、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等科研项目的支持。
论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63578-w
（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部、合肥国家实验室）
本文链接：http://knowith.com/news-1-12991.html中国科大实现二维层状磁体中临界涨落噪声的量子传感
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