Nat. Nanotechnol.｜扭曲二维反铁磁体发现超莫尔自旋织构，attocube 低温位移台与物镜赋能NV 色心磁强计，完成关键观测！
发布日期：2026-10-10
背景介绍
近年来，拓扑量子材料与二维层状磁性材料已成为凝聚态物理领域的研究热点。精准观测微纳尺度下的磁畴演化、自旋排布与磁畴壁动力学行为，是理解材料磁输运特性与拓扑磁效应的关键所在。其中，二维范德华磁性材料因可通过层间堆叠、电场与转角实现磁性调控，为探索新型磁序与拓扑自旋结构提供了理想平台。然而，莫尔体系中的磁结构通常仅具有莫尔单元胞尺度，其尺寸往往在数十纳米量级，如何观测更大尺度、跨越多个莫尔周期的磁有序结构，始终是该领域的重大挑战。
研究成果：魔角CrI₃中的超莫尔磁态
由德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授与美国华盛顿大学Xiaodong Xu（许晓栋）教授领导的团队，利用基于attocube低温纳米位移台搭建的NV色心扫描成像磁强计attoNVM，对魔角双层三碘化铬（CrI₃）的磁学特性展开了深入研究。研究发现了一种全新的“超莫尔磁态”（super-moiré magnetic states）——这种磁结构的尺寸远大于莫尔单元胞，打破了莫尔磁性通常具有莫尔单元胞周期性特征的固有认知。
研究发现，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。在扭转角为1.1°的器件中，自旋结构尺寸达到约300纳米的极大值，比底层莫尔波长大一个数量级；而当扭转角超过2°时，该磁态则随之消失。所获得的磁场图进一步表明，反铁磁性奈尔型斯格明子（Néel-type skyrmions）的形成跨越了多个莫尔单元，呈现出前所未有的长程磁有序拓扑结构。
该团队将基于扭转角的实验研究与大规模原子级蒙特卡洛模拟相结合，揭示了磁性竞争的深层机制：当磁各向异性、交换相互作用与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（三者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。
图1 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）位于金刚石柱顶端，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）。
创新的测量方法：低温强磁场NV色心扫描成像磁强计
实现这一突破的关键，在于采用attocube与瑞士QZabre公司联合推出的商用干式低温强磁场NV色心扫描磁强计 attoNVM。而该平台的核心是通过attocube公司生产的低温纳米位移台精确操纵金刚石氮空位（NV）色心单自旋量子传感器（集成于扫描探针顶端），通过低温物镜（LT-APO/532-RAMAN/0.82）光学读出与微波调控，可在低温与强磁场环境中对样品表面磁场进行超高灵敏度的定量成像，从而直接、无损地解析纳米尺度的磁结构。
研究团队借助attoNVM，在不同扭转角与不同场冷却条件下，系统测绘了魔角CrI₃的杂散场分布。通过控制冷却工艺，团队获得了长程反铁磁结构：在零场冷却下反铁磁区域呈现条纹状图案，而在500 mT磁场冷却后则转变为点状图案（图2），反映出磁场冷却对磁序对称性演化的显著影响。随后，团队在1.1°扭转角样品中观测到跨越多个莫尔单元的奈尔型斯格明子，并通过变温测量（4K至35K）证实了该磁性织构在高温环境下的稳定性（图3）。
图2 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图中选定区域的自相关分析，显示对角线方向的一维相关性；c，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图区域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；f，e图选定区域的自相关分析，显示相似六边形结构，长边间距a/aM≈6.7，短边间距a/aM≈6.0。
图3 魔角CrI₃中反铁磁奈尔型斯格明子的出现。a，1.1°魔角CrI₃样品在500 mT磁场冷却至4K后的典型杂散场分布图，反铁磁区域呈现点状特征；b–d，分别展示了4K（b）、25K（c）和35K（d）条件下选定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。
核心发现
本研究取得了多项开创性成果：其一，首次在魔角双层反铁磁体中观测到尺寸远超莫尔单元胞的“超莫尔磁态”，自旋结构尺度随扭转角演化并可在1.1°时达到约300纳米（比莫尔波长大一个数量级）；其二，直接成像了跨越多个莫尔单元的奈尔型斯格明子，揭示出层间转角诱导的拓扑磁结构可突破莫尔周期约束而长程延伸；其三，通过实验与蒙特卡洛模拟结合，阐明了磁各向异性、交换相互作用与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用之间竞争如何共同塑造超莫尔自旋序的拓扑特征。
科学意义与未来展望
该成果为理解二维莫尔磁性体系中的自旋拓扑与磁性竞争机制提供了全新的实验范式，也展示了低温强磁场NV色心磁成像技术在磁学前沿研究中的巨大潜力。超莫尔磁态与长程斯格明子的发现，为设计基于转角调控的磁性纳米结构、探索拓扑磁学与自旋电子学应用（如磁存储、磁逻辑器件）开辟了新的可能性。未来，随着扭转角与堆叠方式的进一步精确调控，有望在二维反铁磁体系中发现更为丰富的磁态与拓扑相，为新型量子磁电子器件奠定物理基础。
attoNVM低温NV色心扫描成像磁强计
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。
图4 attocube低温NV色心扫描成像磁强计——attoNVM
设备主要特征：
搭载attoDRY2200无液氦恒温器，温度范围2–300 K，兼容9T–1T–1T矢量磁体，可在强磁场下原位测量磁结构演化；
超高磁场灵敏度，磁成像技术实现完全定量测量，灵敏度优于5 µT/(Hz^1/2)；
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；
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，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低温纳米位移台
本研究中，低温系统内的核心定位部件采用了attocube公司的低温纳米位移台（如图5所示），实现对NV探针与样品的精准定位和导航。attocube公司生产的位移器设计紧凑、体积小巧，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器，并以稳定而优异的性能、原子级定位精度、纳米位移步长和厘米级位移范围受到科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和极端环境中，包括超高真空环境（5E-11 mbar）、极低温环境（10 mK）和强磁场中（31 T）。
图5 attocube低温强磁场纳米定位平台
attocube低温消色差物镜
Attocube的低温物镜，专门为极端环境设计，可以兼容包含：极低温（低至 mK 级）超高真空 (UHV)和强磁场。
1）LT-APO 提供三大系列，满足不同实验需求：
2）复消色差范围 (Apochromatic Range)
这是最重要的选型依据。物镜可在指定波段内消除色差，确保不同波长光聚焦于同一焦平面，与普通非球面透镜相比，LT-APO 在宽光谱范围内色偏移极小（< 2 μm），可在不重新对焦的情况下同时清晰采集跨度超过 200 nm 的光谱特征（如荧光侧带、激子共振）。
Standard 系列：提供8种光谱波段，覆盖 405 nm – 1580 nm（例如 VIO, VIS, NIR, TELECOM 等）;
LWD 系列：3种版本（VIS, VISIR, NIR）;
ULWD 系列：2种版本（VISIR, NIR）。
参考文献：
[1]. Wong, K. C. et al. Super-moiré spin textures in twisted two-dimensional antiferromagnets. Nat. Nanotechnol. (2026).
