高效原位磁检测技术揭示高压下材料相变！

【研究背景】

高压金刚石砧细胞（DAC）是一种重要的实验工具，广泛应用于材料科学、高温超导性及磁性等领域。其通过施加巨大的压力，能够创造出新型物质状态，并有效调节材料的物理和化学性质。然而，传统的高压磁测量技术存在灵敏度不足、空间分辨率低等问题，使得在兆巴压力下探测材料的磁性特征变得困难。因此，如何在极端条件下实现高效的磁性检测成为当前材料研究中的一项重大挑战。

近日，来自中国科学技术大学杜江峰院士团队中的Ya Wang、王禹等人在高压磁测量领域取得了新进展。该团队通过调节氮-空位中心（NV中心）所承受的单轴应力，设计出了一种在兆巴压力下实现原位磁检测的新技术。这项新技术不仅提高了磁检测灵敏度，还具备亚微米级的空间分辨率，能够有效捕捉高压下材料的磁场和磁畴演变。

利用这一新型原位磁检测技术，研究团队成功观察到了Fe3O4的宏观磁相变现象。在兆巴压力范围内，Fe3O4从铁磁性（α-Fe3O4）转变为弱铁磁性（β-Fe3O4），最终演变为顺磁性（γ-Fe3O4）。这一发现不仅为作者理解高压条件下的磁性演变提供了直接证据，还揭示了在复杂因素（如自旋交叉、改变的磁相互作用和结构相变）影响下，材料磁性变化的机制。

【仪器解读】

本文通过氮-空位中心（NV中心）原理，具体来说，利用其在兆巴压力环境下的量子传感特性，首次研发了高灵敏度的原位磁测量仪器，从而表征并发现了在极端压力下磁铁矿（Fe3O4）磁性的变化，最终揭示了其在高压环境下从铁磁性（α-Fe3O4）转变为弱铁磁性（β-Fe3O4）并最终转化为顺磁性（γ-Fe3O4）的过程。这一研究不仅突破了传统磁测量技术在高压下的限制，也为理解材料在极端条件下的磁性演变提供了新的视角。

本文针对高压下材料磁性演变现象，通过直接观察磁场和磁畴的演化，得到了在兆巴压力范围内，磁铁矿在不同压力条件下的宏观磁性转变，进而挖掘了电子自旋、磁相互作用和晶体结构等复杂因素对材料磁性演变的影响。在此基础上，通过光学读出和微波辐射控制等表征手段，结合量子传感技术，着重研究了不同压力下磁铁矿的局部磁性演化。

本研究还探讨了NV中心在复杂应力环境中的性能变化，通过调节沿氮-空位轴的单轴应力，显著提高了在130 GPa条件下的磁检测灵敏度。这一进展使作者能够克服样品的不均匀性问题，揭示了在微米和纳米尺度上局部磁性的演变。这种技术不仅适用于传统磁性材料的研究，还为高温超导材料（如超氢化物）的原位检测提供了新的可能。

通过本文的研究，作者为在兆巴压力下的高温超导材料磁性研究奠定了基础，推动了使用NV中心的量子传感器在高压物理中的应用，为探索高温超导现象和其他相关材料的物理特性提供了新工具。作者期待未来在高压研究领域的进一步应用，促进对超导材料和复杂磁性材料的理解与探索。

金刚石砧细胞（DAC）中氮-空位中心（NV中心）的示意图

参考文献：Wang, M., Wang, Y., Liu, Z. et al. Imaging magnetic transition of magnetite to megabar pressures using quantum sensors in diamond anvil cell. Nat Commun 15, 8843 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52272-y