登顶Nat. Phys. 与 Nat. Nanotechnol.：低温强磁场磁成像解锁拓扑与二维磁性新现象
发布日期：2026-06-11
近年来，拓扑量子材料、二维层状磁性材料成为凝聚态物理领域的研究热点，而精准观测微纳尺度磁畴演化、自旋排布、磁畴壁动力学行为，是理解材料磁输运特性与拓扑磁效应的关键。attocube 系列低温强磁场成像设备凭借超高空间分辨率、超低振动、宽温区与强磁场兼容等特性，成为国际前沿磁学研究的重要实验平台。近期，全球多个科研团队依托低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I、低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM取得多项突破性成果，相关研究相继发表于《Nature Physics》、《Nature Nanotechnology》等知名期刊。本文将对两项代表性研究工作及配套设备技术特点展开详细介绍。
1. Weyl磁体中畴壁耗散滑动动力学诱导的瞬时电场
磁性织构产生的新兴电磁场能够灵敏探测集体自旋动力学及其对电子输运的影响。日本东京大学的Max Hirschberger和Yoshinori Tokura领导的团队，利用低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I系统探究了外加电流驱动的外尔半金属NdAlSi中的磁畴壁。通过在不同温度和磁场条件下获取的磁力显微镜（MFM）图谱，实现了对介观器件中畴壁长度的定量测定。研究发现，畴壁的耗散运动会产生新兴电场。这些结果确立了耗散畴壁动力学作为可调控模型体系，可用于研究拓扑与关联量子材料中磁孤子的新兴电场及能量耗散现象。相关成果以《Emergent electric field induced by dissipative sliding dynamics of domain walls in a Weyl magnet》为题，发表于国际SCI期刊《Nature Physics》上。
在零外场和温度T=2K时，由NdAlSi制成的微观器件的 MFM 图像。
attocube低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I
低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I 已经在北京大学，清华大学，南京大学，复旦大学，中国人民大学，北京师范大学，中国科学院等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。下图为常见的低温强磁场原子力磁力显微镜，该系统配置attocube低温扫描台以及纳米精度位移台，可对常见氧化物薄膜，超导材料，低维层状材料，纳米线等微纳尺度材料的低温形貌，磁力磁畴与斯格明子观测等电磁学性质测量。值得一提的是，系统兼容德国attocube公司推出的用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。目前，该系统已经在中国、德国、英国等国家完成多套安装与运行，已助力全球用户在低温强磁场环境下的磁学成像研究中取得众多突破性成果。
低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I。
低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I主要技术特点：
☛ 成像模式：接触式，非接触式，恒高模式，恒力模式
☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm3
☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K
☛ 标准技术：AFM
☛ 可选升级：MFM, PFM，KPFM, c-AFM
☛ 振动噪音（Z方向）：保证小于 0.15 nm (attoDRY)
☛ 空间分辨率：小于 20 nm (attoLIQUID), 小于 50 nm ((attoDRY)
☛ 商业化探针，换针时间小于2分钟
☛ 兼容磁场环境：0~9T ( 取决于磁体系统，兼容12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体)
☛ 兼容温度范围：1.8 K~300 K
☛ 可升级 cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能
☛ 兼容：用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200
2. 魔角二维反铁磁体中的超莫尔自旋纹理
莫尔磁性通常具有莫尔单元胞的周期性特征。由德国斯图加特大学的Jörg Wrachtrup和美国华盛顿大学的Xiaodong XU领导的团队，通过低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM对魔角双层三碘化铬的磁学特性展开了研究。该研究发现了超莫尔磁态——这种磁结构的尺寸远大于莫尔单元胞。在小扭转角下，自发磁结构的尺寸随扭转角增大而增加，与底层莫尔波长方向相反。在1.1°扭转角的器件中，自旋结构尺寸达到约300纳米的最大值，比底层莫尔波长大一个数量级，并在扭转角超过2°时消失。所获得的磁场图表明，反铁磁性奈尔型斯格明子的形成跨越了多个莫尔单元。这项基于扭转角的实验研究，结合大规模原子级蒙特卡洛模拟，揭示了磁性竞争机制：当磁各向异性、交换相互作用与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（均依赖于层间相对旋转）共同作用时，最终形成了超莫尔自旋序中的拓扑结构特征。相关成果以《Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets》为题，发表于国际SCI期刊《Nature Nanotechnology》上。
魔角CrI3中竞争磁序的演化。a，用于研究魔角CrI3中磁结构的扫描NV色心显微镜示意图。NV色心（红色自旋）位于金刚石柱的顶端。NV通过绿色激光初始化，并由微波（MW）信号控制。样品装置由两层CrI3双层膜组成，两层膜之间存在扭转角θ。d–f，原子尺度模拟的归一化磁化图，覆盖450纳米区域，扭转角分别为0.5°(d)、1.1°(e)和2°(f)。
通过控制冷却工艺获得的长程反铁磁结构。a，0.5° 魔角CrI3样品在零场冷却后的代表性杂散场分布图，反铁磁区域存在条纹状图案。b，a图中选定区域（黑色虚线矩形）的自相关分析，显示对角线方向的一维相关性，红色虚线标出。c，a图中相同样品区域在500 mT磁场冷却后的杂散场分布图，揭示反铁磁区域存在点状图案。d，c图中相同区域（黑色虚线矩形）的自相关分析显示六边形结构，长边间距a/aM≈3.5，短边间距a/aM≈2.4。e，1.1° 魔角CrI3样品在500 mT磁场冷却后的杂散场分布图，呈现点状图案。f，e图中选定区域（黑色虚线矩形）的自相关分析，显示相似的六边形结构，长边间距a/aM≈6.7，短边间距a/aM≈6.0。
魔角CrI3中反铁磁Neel型斯格明子的出现。a图展示了1.1° 魔角CrI3样品在500mT磁场冷却至4K后，其典型杂散场分布图，图中反铁磁区域呈现点状特征。研究人员选取黑色虚线框区域，在不同温度下进行自相关分析。b-d图分别展示了4K(b)、25K(c)和35K(d)条件下该区域的二维自相关结果，证实了高温环境下磁性织构的稳定性。随着临界温度升高，由于临界场强度减弱，高阶峰的对比度显著增强。
attocube低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM
attoNVM 是德国 attocube 与瑞士 QZabre 联合推出的商用干式低温强磁场 NV 色心扫描磁强计，具有低温强磁场兼容、超高灵敏度与定量测量、纳米级空间分辨、超低振动长时稳定、探针与系统易用性五大核心优势，适用于量子材料、超导、磁畴等前沿研究。
设备主要特征：
搭载attoDRY2200 无液氦恒温器，温度范围2-300K，兼容9T–1T–1T 矢量磁体，可在强磁场下原位测量磁结构演化。
具有超高磁场灵敏度，磁成像技术的突破，实现完全定量测量，灵敏度优于5 µT/ (Hz1/2)。
纳米级空间分辨：空间分辨率优于50 nm。可分辨超导磁通涡旋、磁畴壁、单自旋等纳米磁结构。
主动减震设计，Z方向噪音优于2纳米。漂移量<100纳米/24小时，可支持数天连续扫描，适合慢动力学与长时稳定性研究。
具有集成微波天线的NV色心探针。一体化集成：位移台+NV探针+光学系统 + 软件无缝整合，一站式操作。多模式成像：支持ODMR、AFM、CFM、宽场、MOKE，可同步获取形貌、磁学、光学信息。
attocube低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM
主要技术特点:
1. 设备类型：结合共聚焦显微镜 (CFM) 和原子力显微镜 (AFM) ，微波激发扫描光学磁共振检测 (ODMR)
2. 成像模式：光检测磁共振 (ODMR)，AFM，CFM，宽场，MOKE
3. ODMR 在基底温度的对比度：≥ 8%
4. 激发激光 ：标准515 nm (其他可定制)
5. 共聚焦模块：紧凑的模块化设计，两个光学通道：一个激发通道和一个检测通道
6. 长期稳定性：漂移<100 nm/24h， ΔT =2K
7. 视野范围 ：大约55 µm
8. RMSz噪音水平（带宽 = 200 Hz）: 小于0.4 nm（室温）； 小于2.5 nm（低温）
9. 定位步长：0.05..3 µm @ 300 K, 10..500 nm @ 4 K
10. 精细扫描范围：30 x 30 x 4.3 µm³ @ 300 K, 18 x 18 x 2 µm³ @ 4 K
11. 温度范围 ：1.8-300 K（淬灭模式，带光学读出的AFM扫描，微波关闭）； 4-300 K（ cw-ODMR模式）
12. 磁场 ：9-1-1 T 或1-1-1 T
13. 扫描协议： NV scanning mode (cw-ODMR), quench mode, iso-B mode, AFM in contact and fixed height
14. 脉冲协议 ：Rabi, Ramsey Spin-Echo, CPMG, XY4, XY8
15. 样品空间直径：48 mm
部分发表文献：
Wong, K. C. et al. Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets. Nat. Nanotechnol. (2026)
Jayaram, S. et al. Probing Vortex Dynamics in 2D Superconductors with Scanning Quantum Microscope. Phys. Rev. Lett. 135, 126001 (2025).
Wang, Y.-X. et al. Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS4. Nat. Mater. 24, 1414–1423 (2025).
Tschudin, M. A. et al. Imaging nanomagnetism and magnetic phase transitions in atomically thin CrSBr. Nat Commun 15, 6005 (2024).
Song, T. et al. Direct visualization of magnetic domains and moiré magnetism in twisted 2D magnets. Science 374, 1140–1144 (2021).
Sun, Q.-C. et al. Magnetic domains and domain wall pinning in atomically thin CrBr3 revealed by nanoscale imaging. Nat Commun 12, 1989 (2021).
Thiel, L. et al. Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy. Science 364, 973–976 (2019).
Gross, I. et al. Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer. Nature 549, 252–256 (2017).
Thiel, L. et al. Quantitative nanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer. Nature Nanotech 11, 677–681 (2016).
Rugar, D. et al. Proton magnetic resonance imaging using a nitrogen–vacancy spin sensor. Nature Nanotech 10, 120–124 (2015).
Häberle, T., Schmid-Lorch, D., Reinhard, F. & Wrachtrup, J. Nanoscale nuclear magnetic imaging with chemical contrast. Nature Nanotech 10, 125–128 (2015).
低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：
