تقنية NV Center ODMR تفتح آفاقاً جديدة للمواد ثنائية الأبعاد وكشف موجات الدوران

باختصار

استخدمت ثلاث فرق بحثية أجهزة CIQTEK ODMR، بما في ذلك مجهر المسح الضوئي بمسبار NV (SNVM) ومقياس طيف الدوران المفرد للألماس، لدفع ثلاثة مجالات مختلفة من أبحاث المواد المتقدمة إلى الأمام.

قام فريق في معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم بتصوير موجات الدوران في الفضاء الحقيقي بالقرب من العيوب المغناطيسية ونطاقات الشريط المقترنة مغناطيسيًا في أفلام YIG و LSMO. وقد التقطوا تشتتًا انتقائيًا للطول الموجي، ولأول مرة، تشوهًا في واجهة الموجة المتعرجة (zig-zag) أثناء عبور موجات الدوران لنطاقات الشريط.

قام فريق في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين بإزالة السيلينيوم من CuCrSe₂ ثنائي الأبعاد عن طريق التلدين بالفراغ. أنتجت فجوات السيلينيوم الناتجة مغناطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة بينما ظلت البنية البلورية الطبقية سليمة.

قام فريق في معهد أشباه الموصلات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم برسم خرائط لكيفية خلط مجال مغناطيسي عرضي لحالات دوران مركز NV، وإضعاف القراءة الضوئية، وتغيير التوازن بين حالات شحن NV⁻ و NV⁰، وكل ذلك مهم للحفاظ على استقرار المستشعرات القائمة على NV في البيئات المغناطيسية الواقعية.

لماذا هذا مهم

يقع الرنين المغناطيسي المكتشف ضوئيًا (ODMR) في قلب علم دوران الحالة الصلبة. إنها الطريقة التي يقوم بها الباحثون بتصوير المجالات المغناطيسية المجهرية، وكيفية تفكيك ديناميكيات الدوران، وكيفية تحويل عيب ذري واحد في الألماس إلى مستشعر فعال. اعتمدت الدراسات الثلاث أدناه جميعها على خط إنتاج ODMR الخاص بـ CIQTEK، والذي يتضمن مجهر المسح الضوئي بمسبار NV (SNVM) ومقياس طيف الدوران المفرد للألماس، للتوغل في مناطق لم تستطع الأدوات القديمة الوصول إليها: تصوير موجات الدوران، والمغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة في المواد ثنائية الأبعاد، وسلوك خلط الدوران لمراكز NV نفسها.

إليك ما وجده كل فريق، ولماذا يهم أي شخص يبني أجهزة مغناطيسية، أو مواد إلكترونية دورانية، أو مستشعرات قائمة على الألماس.

الدراسة 1: تصوير المسح الضوئي بـ NV يكشف كيف تنتشر موجات الدوران فعليًا

أين تم نشره:SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy

عنوان الورقة البحثية:تصور واجهات موجات الدوران المعدلة بالقرب من العيوب والنطاقات المغناطيسية باستخدام مراكز النيتروجين والفراغ

المجموعة البحثية:مجموعة Li Yangmu في معهد الفيزياء، الأكاديمية الصينية للعلوم

استخدم الفريق تصوير المسح الضوئي بـ NV لإجراء تصوير الفضاء الحقيقي وتحليل الطور لانتشار موجة الدوران وواجهات الموجات بالقرب من العيوب المغناطيسية النانوية ونطاقات الشريط المقترنة مغناطيسيًا في الأفلام المغناطيسية الرقيقة (YIG و LSMO). كشف العمل عن تشتت انتقائي للطول الموجي وتعديل شكل الموجة، مما يمنح مصممي الأجهزة مجموعة جديدة من الأدوات لبناء وضبط أجهزة موجات الدوران.

أولاً، بعض الخلفية: لماذا يصعب رؤية موجات الدوران

موجات الدوران، وتسمى أيضًا الماغنونات، هي إثارات جماعية لنظام مرتب مغناطيسيًا. إنها تحمل المعلومات دون خسائر تسخين جول التي تأتي مع الأجهزة التقليدية القائمة على الشحن، مما يجعلها ناقلاً جذابًا لحوسبة المعلومات القائمة على الموجات ومنخفضة الطاقة.

المشكلة هي الحجم. داخل الهياكل المغناطيسية المعقدة على مستوى النانومتر، كان تشتت موجات الدوران وتطور طورها صعبًا للغاية للمراقبة المباشرة في الفضاء الحقيقي. طرق التوصيف الحالية لها حدود: تشتت ضوء بريلوين، ومجهر المسح الضوئي للإرسال بالأشعة السينية، وتأثير كير المغناطيسي الضوئي المحللي زمنياً، كل منها يقصر بطريقته الخاصة.

توفر مراكز NV مسارًا تكميليًا. يمكنها اكتشاف الأنسجة المغناطيسية، وطور موجة الدوران، واليدوية في نفس الوقت، وهو بالضبط المزيج المطلوب هنا. لذا اتجه الفريق إلى مجهر المسح الضوئي بمسبار NV (SNVM) الخاص بـ CIQTEK وأجرى تصوير موجة الدوران في الفضاء الحقيقي على فيلمين مغناطيسيين رقيقين تمثيليين: عقيق حديد الإيتريوم (YIG) ومنغنيت لانثانوم سترونتيوم (LSMO).

الشكل 1: صور موجة الدوران والنطاق المغناطيسي لـ YIG و LSMO (تم قياسها باستخدام CIQTEK SNVM).

النتيجة 1: ماذا يحدث بالقرب من عيوب النقطة المغناطيسية في فيلم YIG

تعتمد قوة التشتت على نسبة. يعتمد ما إذا كانت موجة الدوران تتشتت بقوة عن عيب نقطي على الحجم النسبي لطول موجة الدوران مقابل الحجم المميز للعيب. عندما يكون الطول الموجي قريبًا من حجم العيب، تنحني واجهة موجة الدوران وتتشوه بشكل ملحوظ. عندما يكون الطول الموجي أكبر بكثير من حجم العيب، تمر موجة الدوران دون أي اضطراب تقريبًا.

العيوب المتعددة تخلق تداخلًا. عندما تتفاعل موجة الدوران مع العديد من العيوب النقطية في وقت واحد، فإنها تنتج نمط تداخل الموجة الكلاسيكي.

التجربة والنظرية تتوافقان. يتصرف العيب المغناطيسي كمصدر إشعاع ثانوي يبعث موجات مشتتة أسطوانية. يتم تحديد إزاحة الطور الكلية بالقرب من العيب من خلال سعات كل من الموجة الساقطة والموجة المشتتة، ويعيد النموذج النظري إنتاج ميزات التشتت التي تظهر في التجربة.

الشكل 2: صور موجة الدوران بالقرب من مشتت نقطي مغناطيسي في فيلم YIG.

النتيجة 2: ماذا يحدث بالقرب من هياكل النطاق المغناطيسي في فيلم LSMO

سابقة. لاحظ الفريق تجريبيًا، لأول مرة، موجات دوران تتخذ تشوهًا في واجهة الموجة المتعرجة (zig-zag) أثناء عبورها لنطاقات الشريط.

لماذا يظهر الشكل المتعرج. النطاقات المغناطيسية المجاورة لها اتجاهات مغنطة توازن متقابلة. هذا يجبر اتجاه تدرج الطور على الانقلاب بين النطاقات المجاورة، بحيث يتم استيفاء كل من استمرارية الطور بالقرب من الحدود وعلاقة التشتت في نفس الوقت.

ما أظهرته المحاكاة. وجدت تحليلات محاكاة المغناطيسية الدقيقة أن مكون المغنطة الديناميكي mx يحتفظ بنفس الإشارة عبر النطاقات المجاورة، بينما يعكس المكون my الإشارة. يتركز مكون mx بشكل أساسي بالقرب من جدران النطاق. يتسبب فرق المجال المغناطيسي المحلي بحوالي ±7 G بين النطاقات المجاورة في حدوث تحول في تردد رنين NV المحلي.

الشكل 3: قياس الحالة غير المنحلة لنطاقات الشريط المقترنة مغناطيسيًا وموجات الدوران في LSMO.

لماذا تبرز هذه الدراسة

على عكس الطرق التقليدية التي تعتمد على انعكاس المجال المغناطيسي، مكن مجهر المسح الضوئي بمسبار NV من CIQTEK من إجراء قياس في الموقع (in-situ) متزامن لطور موجة الدوران والنطاقات المغناطيسية الساكنة. يفتح هذا المزيج طريقة جديدة لدراسة كيفية تفاعل العيوب المغناطيسية، وحدود النطاق، وموجات الدوران مع بعضها البعض، ويمنح تطوير الأجهزة المغناطيسية أداة تجريبية جديدة.

الدراسة 2: تعديل الأنيون يجلب المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة إلى CuCrSe₂ ثنائي الأبعاد

أين تم نشره: SCIENCE CHINA Materials

عنوان الورقة البحثية:المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة الناتجة عن تعديل الأنيونات في CuCrSe₂ ثنائي الأبعاد

المجموعة البحثية:فريق وو تشانغ تشنغ في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين

اقترح هذا الفريق استراتيجية "تعديل الأنيونات". فمن خلال إزالة أنيونات السيلينيوم (Se) بشكل انتقائي من CuCrSe₂ عبر التلدين الفراغي، قاموا بإدخال فجوات السيلينيوم داخل المادة.

سحب السيلينيوم دون كسر البلورة

الأرقام هنا تستحق التوقف عندها. بعد 20 دقيقة من التلدين، بلغت نسبة فقدان السيلينيوم في رقائق CuCrSe₂ النانوية حوالي 10%، ومع ذلك احتفظت المادة بهيكلها البلوري الطبقي الأصلي. لم يكن هناك تحول طوري هيكلي واضح ولا طور ثانٍ. أكدت توصيفات هيكلية متعددة مجتمعة أن عملية التلدين تسببت بشكل رئيسي في إزالة أنيونات السيلينيوم.

تأكيد المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة

للتحقق من أن المادة كانت مغناطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة، جمع الفريق بين عدة تقنيات: مجهر القوة المغناطيسية (MFM)، ومجهر المسح الضوئي بمسبار NV (SNVM)، وقياسات تأثير هول الشاذ (AHE). ومن بينها، أظهرت نتائج SNVM بوضوح إشارة مغناطيسية محلية في رقائق CuCrSe₂ النانوية الملدنة في درجة حرارة الغرفة، بينما لم تظهر العينات التي لم يتم تلدينها أي نطاقات مغناطيسية واضحة.

الشكل 4: اختبار المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة لمادة A-CuCrSe₂.

ما الذي يحدث على المستوى الذري

كشفت الحسابات النظرية عن الآلية المجهرية الكامنة وراء تعزيز المغناطيسية. يمكن لفجوات السيلينيوم في مواقع محددة تغيير توزيع العزم المغناطيسي لذرات الكروم (Cr) المحيطة، وإنتاج انقسام أكثر وضوحاً في العزم المغناطيسي بين ذرات الكروم، وتضييق فجوة طاقة التبادل بين المدار والمغزل، مما يعزز تفاعل التبادل الفائق المغناطيسي الحديدي بين الكروم والكروم.

موقع الفجوة مهم. ففجوات السيلينيوم في مواقع مختلفة لها تأثيرات مختلفة بشكل ملحوظ على المغناطيسية، وتعد فجوات السيلينيوم في المواقع المفيدة هي المفتاح لتحقيق المغناطيسية الحديدية في درجات حرارة عالية.

لماذا تبرز هذه الدراسة

يُظهر العمل أن الضبط الانتقائي لفجوات الأنيونات في المواد ثنائية الأبعاد يمكن أن يعزز التفاعلات المغناطيسية بفعالية مع الحفاظ على الهيكل البلوري الأصلي. وهذا يشير إلى مسار جديد لصنع مواد مغناطيسية حديدية ثنائية الأبعاد تعمل في درجة حرارة الغرفة، ويقدم نقطة مرجعية مهمة لتصميم مواد مغناطيسية منخفضة الأبعاد تهدف إلى تطبيقات الإلكترونيات الدورانية (spintronics).

الدراسة 3: كيف تخلط المجالات المغناطيسية المستعرضة مغازل مراكز NV

مكان النشر:ACS Photonics

عنوان الورقة البحثية:خلط المغزل المكتشف بصرياً لمراكز النيتروجين-فجوة في الماس

المجموعة البحثية:فريق تشانغ جون البحثي في معهد أشباه الموصلات، الأكاديمية الصينية للعلوم

كشفت هذه الدراسة بشكل منهجي عن آليات خلط المغزل، وتدهور القراءة الضوئية، وتحويل حالة الشحن لمراكز النيتروجين-فجوة (NV) في الماس تحت مجال مغناطيسي مستعرض. تقدم النتائج طريقة جديدة لتحسين استقرار المستشعرات القائمة على مراكز NV عند تشغيلها في بيئات مغناطيسية معقدة.

مشكلة المجال الذي لا يصطف

تعد مراكز NV في الماس فئة مهمة من العيوب الكمومية في الحالة الصلبة. يمكن تهيئتها بواسطة الليزر، ومعالجتها بالموجات الدقيقة، وقراءتها من خلال التألق، ولهذا السبب تم استخدامها على نطاق واسع في قياس المجال المغناطيسي عالي الحساسية، والتصوير الكمومي، ومعالجة المعلومات الكمومية.

ومع ذلك، في الجهاز الحقيقي، نادراً ما يصطف المجال المغناطيسي المطبق تماماً مع محور NV. عندما يكون للمجال مكون مستعرض، فإنه يخلط بين مستويات المغزل الفرعية المختلفة لمركز NV ويضعف القدرة على استقطاب المغازل بصرياً، مما يؤثر بدوره على قراءة التألق وإشارات الرنين المغناطيسي.

ما قام الفريق بقياسه

استخدم الباحثون أدوات CIQTEK المتعلقة بـ ODMR جنباً إلى جنب مع التألق الضوئي (PL) وتقنيات الرنين المغناطيسي المكتشف بصرياً (ODMR)لقياس كيفية استجابة مراكز NV في الماس بشكل منهجي تحت مجالات مغناطيسية ودرجات حرارة مختلفة.

يعمل ODMR عن طريق مراقبة تغيرات التألق الناتجة عن انتقالات المغزل التي تحركها الموجات الدقيقة، مما يعكس مدى قدرة مركز NV على تهيئة مغزله ومدى جودة أداء القراءة الضوئية. وجدت التجارب أنه مع ازدياد قوة المجال المغناطيسي المستعرض، تختلط حالات المغزل ms=0 و ms=1 لمركز NV بشكل أكثر وضوحاً. تنخفض كفاءة الاستقطاب الضوئي، ويضعف تباين ODMR معها.

الشكل 5: قياس تأثير خلط المغزل لـ NV⁻ تحت مجال مغناطيسي مستعرض باستخدام ODMR.

المجال المغناطيسي الحرج Bc

لتقييم مدى تحمل مركز NV للمجال المغناطيسي المستعرض كمياً، استخرج الفريق مجالاً مغناطيسياً حرجاً، Bc، من منحنيات تباين PL المعتمدة على المجال. يحدد هذا المعامل مقياس المجال الذي يبدأ عنده خلط المغزل في التأثير بشكل كبير على القراءة الضوئية. يعني Bc الأكبر أن مركز NV أكثر استقراراً ضد المجالات المغناطيسية المستعرضة. ويعني Bc الأصغر أن قراءته الضوئية تتأثر بسهولة أكبر بسبب عدم محاذاة المجال.

تغيرات درجة الحرارة تغير الصورة

وجدت الدراسة أيضاً أن المجال المغناطيسي الحرج يعتمد بشكل واضح على درجة الحرارة. في نطاق درجة حرارة متوسط محدد، تم تثبيط استجابة التألق لمركز NV بشكل كبير.

من خلال بناء نموذج معادلة ليندبلاد الرئيسية الذي يتضمن الهيكل المداري للحالة المثارة، والاسترخاء المداري بمساعدة الفونون، والعبور بين الأنظمة المعتمد على المغزل، كشف الباحثون كيف تغير درجة الحرارة ديناميكيات المدار للحالة المثارة، ومن خلال ذلك، تضبط بشكل أكبر خلط المغزل الناجم عن المجال المغناطيسي المستعرض.

حالات الشحن تكمل بقية القصة

قام الفريق أيضاً بحل انبعاث خط الصفر-فونون لحالة الشحن السالبة، NV⁻، والحالة المحايدة، NV⁰، بشكل منفصل. ما رأوه هو أنه عندما زاد المجال المغناطيسي المستعرض، جاء الانخفاض في تألق NV⁻ مصحوباً بتغير مقابل في تألق NV⁰. بعبارة أخرى، لا يأتي فقدان الإشارة الناجم عن المجال المغناطيسي بالكامل من عمليات غير إشعاعية. بل إنه مرتبط ارتباطاً وثيقاً بإعادة التوزيع بين حالات الشحن NV⁻ و NV⁰.

لماذا تبرز هذه الدراسة

يجمع هذا العمل بين خلط اللف المغزلي، وتضاؤل تباين الرنين المغناطيسي المكتشف ضوئياً (ODMR)، وتأثيرات درجة الحرارة، وديناميكيات حالة الشحنة في صورة واحدة. ويقترح مقياساً تجريبياً يمكن استخدامه لتقييم استقرار المجال المغناطيسي المستعرض للمستشعرات القائمة على مراكز النيتروجين الشاغرة (NV)، كما يوفر نقاط مرجعية مهمة لتصميم اتجاه المجال المغناطيسي، وتحسين درجة حرارة التشغيل، والتحكم في حالات الشحنة، وتحسين أداء القراءة الضوئية.

نظرة فاحصة على الجهاز: مجهر مسبار NV الماسح (SNVM)

تدعوكم CIQTEK لتجربة مجهر مسبار NV الماسح (SNVM)، وهو نظام رائد عالمياً لتصوير المجال المغناطيسي على مقياس النانو. المواصفات الرئيسية:

• نطاق درجة الحرارة: 1.8 كلفن إلى 300 كلفن

• المجال المغناطيسي المتجه: 9 / 1 / 1 تسلا

• الدقة المكانية المغناطيسية: 10 نانومتر

يتوفر تكوينان:

• مجهر SNVM يعمل في درجة حرارة الغرفة

• مجهر SNVM يعمل في درجات حرارة منخفضة

جربه بنفسك: اختبار عينات مجاني وزيارات ميدانية

تمتلك CIQTEK خبرة واسعة في اختبار العينات وتدعم الزيارات الميدانية بالإضافة إلى قياس العينات المجاني. إذا كان لديك عينة تود اختبارها، راسل مهندسينا عبر البريد الإلكتروني sunh@ciqtek.com وسنتولى الأمر من هناك.

هل ترغب في معرفة المزيد عن منتجاتنا وكيف يمكن أن تتناسب مع عملك؟ تواصل معنا في أي وقت:

هاتف: 976-0606-400 86+

البريد الإلكتروني: gylz@ciqtek.com

الأسئلة الشائعة

ما هو الرنين المغناطيسي المكتشف ضوئياً (ODMR)؟

الرنين المغناطيسي المكتشف ضوئياً (ODMR) هو طريقة توصيف في علم اللف المغزلي للحالة الصلبة. يعمل عن طريق مراقبة تغيرات التألق الناتجة عن انتقالات اللف المغزلي التي تحركها الموجات الدقيقة، مما يجعله مفيداً لتصوير المجال المغناطيسي على المقياس المجهري ولتحليل ديناميكيات اللف المغزلي.

ما الذي يمكن أن يقيسه مجهر مسبار NV الماسح (SNVM)؟

يستخدم SNVM مراكز NV للكشف عن المجالات المغناطيسية وتصويرها على مقياس النانو. وكما يوضح العمل الموصوف أعلاه، يمكنه قياس طور موجة اللف المغزلي والمجالات المغناطيسية الساكنة في نفس الوقت، مما يتيح للباحثين دراسة كيفية تفاعل العيوب المغناطيسية، وحدود النطاقات، وموجات اللف المغزلي. كما يدعم النظام التصوير عبر نطاق درجة حرارة من 1.8 كلفن إلى 300 كلفن.

لماذا تعتبر المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة في المواد ثنائية الأبعاد أمراً مهماً للغاية؟

لأنها تعني أن المغناطيسية تبقى دون الحاجة إلى تبريد مكلف. في عمل CuCrSe₂، أدت إزالة أنيونات السيلينيوم بشكل انتقائي من خلال التلدين الفراغي إلى تعزيز التفاعلات المغناطيسية مع الحفاظ على بنية البلورة الطبقية سليمة، مما يشير إلى مواد مغناطيسية حديدية ثنائية الأبعاد عملية للإلكترونيات الدورانية (spintronics).

لماذا يعتبر استقرار المجال المغناطيسي المستعرض مهماً للمستشعرات القائمة على مراكز NV؟

نادراً ما توفر الأجهزة الحقيقية مجالاً مغناطيسياً يصطف تماماً مع محور NV. المكون المستعرض يخلط المستويات الفرعية للف المغزلي لمركز NV، ويضعف الاستقطاب الضوئي، ويقلل من تباين ODMR. يعطي المجال المغناطيسي الحرج Bc للمهندسين طريقة قابلة للقياس لمقارنة مدى جودة تحمل مراكز NV المختلفة لهذا النوع من عدم محاذاة المجال.

لنواصل الحوار

تابعنا للحصول على المزيد من أخبار الصناعة وتحديثات الأبحاث من عالم الاستشعار. إذا كنت ترغب في معرفة كيف تتناسب أجهزة ODMR الخاصة بنا مع عملك، اتصل بنا على gylz@ciqtek.com أو اتصل على 976-0606-400 86+.