Phy.Rev.Lett.：低温NV色心扫描成像磁强计, 实现二维自旋晶体管相变畴壁动态直接观测！

发布日期：2026-09-09

研究动态

后摩尔时代，冯·诺依曼瓶颈持续制约传统计算系统的能效提升。自旋电子器件通过将存储与逻辑功能一体化，为低功耗、非易失、神经形态计算提供重要技术路线。层状二维反铁磁半导体凭借可调层间磁耦合、原子级厚度等独特优势，成为新一代自旋晶体管的核心候选材料。然而，二维磁性材料中磁畴、畴壁的演化行为隐藏在宏观电学输运信号之下，想要解析相变过程中的微观磁动力学，就需要能够在低温强磁场条件下实现纳米尺度、定量磁成像的表征手段。德国 attocube 联合瑞士 Qzabre 推出的低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM，依托低振动无液氦磁体与恒温器attoDRY2200，可在 2‑300 K 宽温区、矢量强磁场环境下实现优于 50 nm 空间分辨率、5 µT/√Hz 磁场灵敏度的定量磁测量，兼具超低振动、长期漂移稳定、多表征模式同步采集等特点，是解析二维磁性、超导材料磁畴、畴壁、磁通涡旋等微观磁结构的关键实验平台。

近日，美国波士顿学院Brian Zhou教授团队利用低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM，结合电学输运测试，阐明了一种全新的自旋晶体管物理机理。该自旋晶体管将二维反铁磁半导体中的垂直与横向跃迁输运机制相结合，工作机理与垂直隧穿器件存在本质差异。器件基于 CrSBr 中的单层-双层结结构，展现出栅极可调的巨大磁电阻效应，该效应由静电掺杂对空间电荷限制性横向导电与层间交换耦合的双重作用所驱动。此外，课题组揭示了一种可现场训练的层间共享效应，在自旋翻转转变处选择相干翻转或畴壁翻转模式，从而实现多级忆阻导电态。课题组提出的基于层状结构的空间电荷机制，为实现收敛式电学与磁学联合控制提供了新途径，从而有望突破当前计算技术中的诸多局限性。相关研究内容以《Space-Charge-Limited van der Waals Spin Transistor》为题，发表于国际期刊《Physical Review Letters》。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/61lp-6slp

研究进展

本研究揭示了一种概念上的转变：层状反铁磁（AFM）器件中的磁阻（MR）并非源于隧道势垒轮廓的变化，而是源于层依赖性空间电荷密度的变化。自旋晶体管器件采用横向分离的接触电极连接单层-双层阶梯结中的不同层（见图 1(a)）；这与自旋滤波隧道结sf-MTJs 不同-在后者中，顶部与底部电极重叠区域之间的隧穿效应决定了电导率（见图 1(c）。这种特殊的研究方法（此前在绝缘型 CrI₃ 材料中尚不可行）成功整合了层状反铁磁体（AFM）内部的垂直与横向输运过程。该结构既可通过层间磁有序性，也可通过施加的栅极电压来调控自由载流子的分布，进而调控电导，从而实现自旋晶体管。通过采用单一材料同时实现自旋极化与自旋输运，本设计有效抑制了界面自旋弛豫效应，并实现了高达 3000% 的巨大且可栅控的TMR。

图1 器件概述。 (a) 自旋晶体管SCST器件结构示意图，其触点分别连接于 CrSBr 中单层-双层台阶的两端；(b) 在零场条件下，不同栅极电压下，电流 Isd 与偏置电压 Vsd 关系曲线。c)自旋滤波磁隧道结 sf- MTJ 器件的原理图；(d) sf- MTJ 在零场条件下的 Isd 与 Vsd 关系曲线；(e) SCST 与 sf- MTJ 在固定偏置条件下的 Isd 与 VG 关系曲线。

图 2(a) 展示了在课题组称之为“负场训练”条件下的电导滞后现象。在此实验中，从 Bb = -0.4 T 开始，随后将磁场线性增加至 0.3 T，最后再线性减小回至 -0.3 T。在正向扫描过程中，双层膜在负场下的 FM–AFM 转变过程较为陡峭；而在正向扫描的 AFM–FM 转变过程中，则观察到多个中间电导值。因此，NV色心磁学成像结果表明，FM–AFM相变是通过双层结构上层的均匀反转实现的，这一过程避免了下层形成畴壁。当外场正向增强时，单层膜在较小的矫顽场（约 20 mT）下首先从 ← 状态反转为 → 状态，从而在双层膜界面处形成一个畴壁 [图 2(b)]。随后，AFM–FM相变通过该畴壁跨越双层膜底层而发生[图2(c)]，从而导致活性区域内出现部分AFM与部分FM区域，以及电导值处于中间状态。相比之下，从 0.3 T 开始的反向扫描过程显示出两次尖锐的电导跃迁；在此过程中，NV色心磁学成像结果确定，该双层膜的底层是在从反向 FM 到 AFM 的相变过程中发生翻转的。显然，尽管该双层膜在 →→ 条件下表现出饱和电导，但它仍保留着其负场训练的记忆。

值得注意的是，NV色心成像技术无法分辨视场内存在的任何残余→←域 [图 2(d)]。这些残余磁化区在外场减弱时引发了底层的突然反转；最终，在负场作用下单层磁化方向反转为 ← [图 2(e)] 后，仅剩双层中的顶层需进行反转以完成从 AFM 到 FM 的相变—该相变通过一次突然的旋转实现 [图 2(f)]。

图2 训练对变磁性相变的影响。(a) 在负场训练条件下测得的电导率滞后回线扫描曲线。该扫描从 Bb = -0.4 T 开始。（b)–(d) 正向扫描过程中渐进式从AFM到FM相变的磁学成像。该相变过程是通过从单层界面出发，通过对双层结构的底层进行畴壁平移来实现的。样品光学图像显示于图 (b) 的插图中。（e)–(g) 反向扫描过程中发生的AFM到FM 转变图像。该现象实际上是通过扫描过程中顶层发生的热激活相干旋转而实现的。

NV色心成像技术揭示了隐藏在输运过程中的栅极电压所引发的第二个效应。图3(a)展示了不同磁场下Isd与VG的关系曲线。在Bb = 160 mT和175 mT时，其电导行为与完整的AFM及FM状态几乎完全一致；而在Bb = 165 mT和170 mT时则观察到中间电导值—此时双层膜中存在AFM–FM畴壁（图2）。对于 CrI3和 CrSBr ，据报道，电子掺杂可抑制 AFM 层间交换作用，从而降低自旋翻转场，有利于形成高导电性的 FM 状态。为探究掺杂是否会影响层间交换过程，对 SCST器件的活性区域进行了成像研究，实验条件为 Bb = 168 mT。在强电子耗尽条件下（VG = −4 V，见图 3(b)），该双层结构近乎完全处于反铁磁态（→←），其底层与沿磁场方向排列的单层结构（→）之间形成了畴壁。当电子掺杂浓度增加至 VG = 4 V 时，畴壁在双层结构上发生平移，从而使铁磁区域逐渐扩展 [图 3(c) 与图 3(d)]。相反，当 VG 重新降至 −4 V 时，双分子层中的 FM 区域发生后退 [图 3(e) 和图 3(f)]。然而，这种可逆性受到沿垂直折痕处强钉扎效应的阻碍，该效应使得实现电控忆阻特性成为可能 [图 3(c) 和图 3(e)，两种情况均在栅极关闭状态下]。观测到突变的 Barkhausen 跃迁现象[如图 3(f) 中圆圈所示]，这与输运过程中观察到的不连续性相一致。

图3： 层间交换过程的电学调制。(a) 在接近双层膜自旋翻转转变点的磁场条件下，Isd 与 VG 的关系曲线。(b)–(d) 在 Bb = 168 mT 时，随着栅极电压 VG 逐渐增大（VG = −4、0 及 4 V）所获得的磁学图像；随着电子掺杂浓度的增加，双层膜中的铁磁区域随之扩展。(e)、(f) 当 VG 重新降至 −4 V 时获得的图像；此时双层膜中的铁磁区域虽有所退缩，但受到钉扎效应的阻碍，从而产生磁滞现象。

图4：解析双层 CrSBr 的反相位态：(a) 自旋晶体管SCST 1的光学图像；(b) 当单层与双层之间存在畴壁时，单层-双层界面的杂散场 BS 图像。（c) 在单层结构翻转为 ← 且不存在畴壁时的 SCST 1 剩余磁场图像。d) 第二个器件 SCST 2 的光学图像；(e)、(f) 分别为 SCST 2中存在域壁(e)与不存在域壁(f)时的图像。

本研究工作展示了一种独特的二维自旋晶体管，其输运特性由层间依赖性空间电荷积累所主导，这一特性在本质上与传统的自旋滤波隧穿效应截然不同。文中SCST自旋晶体管技术可操控二维磁学中的独特物理机制，包括对层间交换作用的门控调控，以及一种层间共享效应—该效应可实现对反铁磁-铁磁相变过程中的畴壁调控。这些技术进展将使 SCST 自旋晶体管成为构建非易失性或神经形态逻辑电路的理想基础元件。

值得一提的是，以上应用案例中使用的 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，主机为德国attocube公司研发的用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200。测量使用了来自 QZabre 的金刚石探针尖端，标称灵敏度为 1.9 μT/sqrt（Hz）。该制造商提供的NV色心的注入深度约为10 nm，通过分析 CrSBr 边缘的杂散场线图确定的扫描成像数据的空间分辨率约为 50 nm。文章中NV色心扫描成像结果所呈现的所有数据均采集自T = 2 K时。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。基于attoDRY2200主机，可以拓展低温AFM-MFM原子力磁力显微镜，低温NV色心扫描成像磁强计，QTM（Quantum Twisting Microscope）量子扭转显微镜。设适用于研究二维材料，超导材料的低温强磁场环境下的多场物理性质。

图5：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200, 适合NV色心扫描成像研究。

attocube低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM

attoNVM 的核心优势集中于低温强磁场兼容、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维度，适配量子材料、超导、磁畴等前沿研究。

图6：低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM设备图

更多NV色心扫描成像数据：

1. 超导材料中的磁通漩涡

71K，BSCCO-2212样品磁通漩涡	3K，YBCO薄膜磁通漩涡

2. 单层二维材料中的磁学成像

70K， 扭转双层CrSBr样品	115K，反铁磁样品CrSBrz中的磁畴壁

3. 磁性薄膜材料中磁学性质测量

2.9K，Ir/Fe/Co/Pt 多层样品磁畴	3K，Ir/Fe/Co/Pt 多层样品磁畴

低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM主要技术特点:

• 最低温度：2K，温度范围：2-300K，低温强磁场系统主机：attoDRY2200

• 成像模式：光检测磁共振 (ODMR)，AFM，CFM，宽场，MOKE

• ODMR 在最低温度的对比度：≥ 8%

• 横向磁分辨率：<50nm

• 微波输出频段：0.7-6 GHz

• 磁场灵敏度：5 µT/sqrt（Hz）

• 单光子探测器：高量子效率（670 nm 时通常为 80%，保证 > 60%）

• NV色心：QZabre QST：完全集成的传感器芯片，尖端具有单个 NV、AFM 兼容的力反馈和集成微波天线

• 长期稳定性：漂移<100 nm/24h， ΔT =2K

• 激发波长：515nm，视野范围 ：大约55 µm，低温物镜：LT-APO/532-Raman

• 原子力显微镜性能： Z方向振动噪音水平： < 2 nm（均方根值）

• 样品移动范围：2 mm x 3 mm x 2.5 mm

• 精细扫描范围：30 x 30 x 4.3 µm³ @ 300 K, 18 x 18 x 2 µm³ @ 4 K

• 三维矢量磁场 ：9-1-1 T 或1-1-1 T

• 脉冲协议 ：Rabi, Ramsey Spin-Echo, CPMG, XY4, XY8

• 样品空间直径：49.7 mm

• MOKE功能：极性 MOKE，带有偏置光电探测器 (BW=500 kHz)、远程可控波片、集成到 QS3 软件中

低温NV色心扫描成像磁强计-attoNVM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：