在纳米尺度维度下，尺寸达到十亿分之一米，一个由能源部橡树岭国家实验室领导的科学家团队揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法。通过这些新测量所获得的知识，发表于《纳米快报》，可以用于推动从传统计算到新兴量子计算领域等各类技术的进步。
许多材料经历相变，其特点是重要基本性质的温度依赖性逐步变化。理解材料在临界转变温度附近的行为是开发利用独特物理性质的新技术的关键。在这项研究中，团队利用纳米级量子传感器测量了磁性薄膜在相变附近的自旋波动。室温下具有磁性特性的薄膜对于数据存储、传感器和电子设备至关重要，因为其磁性可以被精确控制和操纵。
团队在橡树岭国家实验室的纳米相材料科学中心使用了一种名为扫描氮-空位中心显微镜的专用仪器。氮-空位中心是钻石中的一种原子级缺陷，其中一个氮原子取代了一个碳原子，而邻近的碳原子缺失，形成了一种特殊的量子自旋态配置。在氮-空位中心显微镜中，缺陷对静态和波动的磁场做出反应，使科学家能够在单一自旋水平上检测信号，以检查纳米级结构。
“氮-空位中心既可以作为量子位（qubit），又可以作为高度灵敏的传感器，我们将其移动到薄膜上方，以测量不能用其他方法测量的磁性和自旋波动的温度依赖性变化，”ORNL的材料科学与技术部研究科学家本·劳里说。
当材料的磁性属性由自旋取向所控制时，自旋波动会持续改变方向，而不是保持不变。团队测量了薄膜在不同磁态之间进行的相变过程中的自旋波动，这一过程是通过改变样本温度来诱导的。
这些测量揭示了相变附近自旋波动的局部变化是如何在全球范围内相互关联的。这种对相互作用自旋的纳米级理解可能会导致新型基于自旋的信息处理技术和对广泛类型量子材料的更深入认识。
“自旋电子学的进步将提高数字存储和计算效率。同时，基于自旋的量子计算提供了经典无法实现的模拟的诱人前景，如果我们能够学会控制自旋与环境之间的相互作用，”劳里说。
这种类型的研究架起了ORNL在量子信息和凝聚态物理方面的能力。“如果我们能够利用今天的量子资源获得对材料中经典和量子状态的新理解，这将帮助我们设计具有网络、传感和计算应用的新量子设备，”劳里说道。
美国能源部基础能源科学项目资助了这项研究。
