近期，《Advanced Functional Materials》刊登了清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室易迪老师课题组与集成电路学院南天翔老师课题组关于多铁性氧化物BiFeO?（BFO）体系磁振子输运的重要研究。该研究题为“Tuning Anisotropic Magnon Transport in Multiferroic Oxides by Crystal Symmetry”。这项研究揭示了晶体对称性对磁振子输运各向异性的关键调控作用。
研究中使用了国仪量子研制的扫描NV探针显微镜
磁振子自旋电流可在磁有序绝缘体中传输且几乎无热量耗散，在未来自旋电子器件中潜力巨大。因多铁性材料BiFeO?（BFO）铁电序与反铁磁序耦合，故磁振子的电场调控成为自旋电子学领域的研究热点。然后，BFO的菱形铁电相（R-BFO）的磁结构解析一直是领域研究难点。
理论推测，R-BFO存在自旋圆环状结构，这是解释其磁振子输运弱各向异性的关键，但此前缺乏直接的微观磁成像证据。传统的表征手段如X射线磁线性二色性（XMLD）等技术只能提供宏观信号，无法捕捉纳米尺度的自旋圆环细节，导致“晶体对称性-磁结构-磁振子输运”的逻辑链断裂。扫描NV探针显微镜（SNVM）凭借纳米级分辨率与电子级测磁灵敏度，直接解决了R-BFO磁结构表征难题，为研究结论提供了强有力实验支撑。
团队利用SNVM技术，清晰观测到R-BFO内部存在周期≈70 nm的均匀自旋圆环状结构，量化旋线周期的同时进一步确定了磁结构是单畴。结合铁电成像（PFM），确认自旋圆环的传播矢量k与铁电极化方向P垂直，直接验证了“Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）导致自旋圆环形成”的理论推测。综上，NV 成像技术弥补了传统光谱表征在磁结构直接观测上的不足，是证实 R-BFO 自旋旋线结构、支撑 “晶体对称性-磁结构-磁振子输运” 关联的关键实验依据。
单畴 R-BFO 与 O-LBFO 的磁结构。a) LSMO（22 nm）/R-BFO（10 nm）样品的 X 射线磁线性二色性（XMLD）光谱 b) LSMO（2 nm）/R-BFO（10 nm）样品的氮空位（NV）成像图。实验中选用厚度仅为2 nm LSMO 层，以避免其杂散磁场对测量产生干扰 d) LSMO（22 nm）/O-LBFO（10 nm）样品的 XMLD 光谱 e) LSMO（22 nm）/O-BFO（10 nm）样的 X 射线磁线性二色性-光电子发射显微镜（XMLD-PEEM）成像图。
这项研究，不仅推动了我们对BFO体系磁振子输运的认知，更证明了扫描NV探针显微镜是前沿材料研究的新利器。未来，在多铁性材料、反铁磁器件等领域，SNVM将持续解锁微观磁学奥秘，为低功耗自旋电子器件研发保驾护航。
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