《JACS》室溫下，我們"看見"了二維分子磁疇

 二維材料能不能在室溫下穩(wěn)定保持鐵磁性？ 更關(guān)鍵的是——我們真的“看見"它了嗎？

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精準(zhǔn)智能化學(xué)全國重點實驗室吳長征教授課題組在國際期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）發(fā)表了題為“Interlayer-Confined Molecular Assembly Enables a Family of Two-Dimensional Room-Temperature Ferromagnets" 的研究論文。該研究提出了一種層間限域分子組裝策略，成功構(gòu)建出一類具有室溫（>300 K）穩(wěn)定鐵磁序的二維分子材料體系，為低維磁性材料及分子自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了新的設(shè)計思路。

本研究中，基于金剛石 NV 色心的量子鉆石顯微鏡（Quantum Diamond Microscope, QDM）在材料磁性表征中發(fā)揮關(guān)鍵作用，實現(xiàn)了材料磁性的微米級分辨成像，標(biāo)志著量子傳感技術(shù)在分子磁性材料表征中取得關(guān)鍵突破。

NV  二維分子鐵磁體：從構(gòu)筑到驗證

二維鐵磁材料因其在自旋電子學(xué)、信息存儲及量子器件中的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。然而，實現(xiàn)高居里溫度（室溫以上）、穩(wěn)定長程磁有序、分子體系中的可調(diào)控磁性，一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

該研究通過將磁性二茂鈷分子（Co(Cp)?）插層引入金屬態(tài)過渡金屬二硫族化物（如TaS?）層間，實現(xiàn)：

分子取向的精確調(diào)控

有效的界面耦合增強(qiáng)

由界面巡游電子介導(dǎo)的鐵磁交換

最終獲得超過300 K的二維鐵磁有序

NV  QDM實現(xiàn)磁疇的直接可視化

傳統(tǒng)磁性測量手段（如振動樣品磁強(qiáng)計VSM）雖然能夠探測宏觀磁化信號，但面對分子插層這類新型材料體系，宏觀信號可能受到雜質(zhì)、邊緣效應(yīng)或測量幾何因素的干擾，難以給出鐵磁性起源的確定性結(jié)論。而磁疇成像——直接"看見"磁有序的空間分布——才是證明長程鐵磁耦合存在的最直接證據(jù)。

在磁性驗證方面，研究團(tuán)隊結(jié)合多種手段（如M–T、M–H曲線等）確認(rèn)材料具有鐵磁行為。同時，利用QDM進(jìn)一步實現(xiàn)了關(guān)鍵突破：對二維材料磁疇結(jié)構(gòu)的直接成像

通過NV色心自旋共振頻移獲取局域磁場信息

在室溫條件下實現(xiàn)二維磁場分布成像

清晰觀察到正負(fù)交替的磁疇結(jié)構(gòu)

該結(jié)果提供了鐵磁有序存在的直接證據(jù)，增強(qiáng)了研究結(jié)論的可靠性。

(a) 100 Oe，零場冷卻與場冷卻過程的面內(nèi)、面外磁化強(qiáng)度 - 溫度曲線；

(b) 300 K的各向異性磁化強(qiáng)度 - 磁場曲線；

(c) 300 K、500 Oe條件下磁化強(qiáng)度隨角度的變化關(guān)系；

(d) QDM原理示意圖；

(e) QDM的光學(xué)顯微鏡圖像；

(f) 300 K，外加磁場約為 47 Oe，通過QDM測得的對應(yīng)磁場映射圖像。

NV  推動低維磁性與自旋電子學(xué)研究

這項工作旨在解決分子基材料難以實現(xiàn)室溫鐵磁性的科學(xué)難點，通過層間vdW空間的亞納米限域效應(yīng)精確控制分子排列與自旋取向，利用有機(jī)-無機(jī)界面耦合實現(xiàn)了巡游電子介導(dǎo)的鐵磁交換。量子鉆石顯微鏡的引入，不僅為本研究提供了決定性的實驗證據(jù)，更展示了量子傳感技術(shù)在低維磁性材料表征中的巨大潛力——未來，結(jié)合掃描NV顯微鏡（SNVM）等技術(shù)，有望實現(xiàn)更高空間分辨率的磁疇動態(tài)觀測，甚至單分子尺度的磁性探測，為分子自旋電子學(xué)器件的研發(fā)提供新的表征手段。

NV  量子鉆石顯微鏡的技術(shù)優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)磁學(xué)表征手段，量子鉆石顯微鏡具備獨特優(yōu)勢：

室溫下實現(xiàn)高靈敏磁場探測

提供磁場二維空間分布信息

可直接區(qū)分不同磁疇區(qū)域

實現(xiàn)定量磁場反演

使磁性從“間接信號"轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱梢暬瘓D像"

NV  誠邀體驗 納米級磁成像系統(tǒng)

國儀量子誠邀您體驗掃描NV探針顯微鏡（SNVM）——納米級磁場成像系統(tǒng)，溫度1.8~300 K，矢量磁場9/1/1 T，磁空間分辨率達(dá)10 nm，磁靈敏度2 μT/Hz^1/2。