科研快讯 | 利用NV色心量子传感技术首次观测到磁振子流体动力学行为
近日，哈佛大学领衔的国际合作团队利用金刚石氮-空位（NV）色心量子传感技术，在二维磁性材料三氯化铬（CrCl3）中，首次实验观测到了磁振子（magnon）的流体动力学行为，并直接探测到了理论预言已久的二维磁振子集体声模式。该成果以 “Magnon hydrodynamics in an atomically thin ferromagnet” 为题，在国际顶级学术期刊《Science》上发表。
从纳米尺度静态磁成像，到超灵敏动态磁噪声谱（kHz）探测，再到百兆赫兹量级的受激谱学测量，金刚石NV色心量子传感技术已在二维磁学研究中成为了核心手段。
磁振子也能 “像液体一样流动”？
固体里的晶格振动会形成声子；而在磁性材料中，自旋的集体振荡会形成自旋波，它的量子化单元就是磁振子（magnon）。
常规情况下，磁振子会通过与样品边界、晶格原子碰撞损失动量。但当磁振子的密度足够高，磁振子之间的碰撞占据绝对主导，理论预测，磁振子气体的流体动力学区间会出现一支能量低于单磁振子激发的集体声模，其物理图像与超流中的第二声高度相似。
这种磁振子流体动力学机制早在半个世纪前就被理论预言，但实验观测难度极大。尤其是在原子级厚度的二维磁体中，样品体积极小、磁信号极其微弱，传统的铁磁共振、中子散射等手段几乎 “看不见”。
而金刚石NV色心作为量子磁传感器，具有高空间分辨率、高灵敏度的独特优势，非常适合研究二维磁性材料。
反常噪声！揭开磁振子流体的面纱
研究团队选择了单层CrCl3作为研究对象，这是一种典型的二维范德华铁磁体，磁振子之间的相互作用很强，是观测磁振子流体的理想候选体系。
利用 NV 的 ODMR-CW或Ramsey的静态磁成像能力，团队首先确认了单层 CrCl3的本征磁性质，为后续研究打下坚实基础。
铁磁 - 顺磁转变温度 Tc ≈ 12.5 K；
低温下磁化强度约 11 μB/nm2，磁化方向几乎平行于材料平面；
通过自洽线性自旋波理论拟合，得到铁磁交换常数 J = 10.9 ± 0.4 K，与体材料结果高度一致。
单层CrCl3的静态磁化特性。(A) 温度 6 K，施加 136 mT 偏置磁场下样品磁场分布。(B) 最优拟合仿真杂散场分布图，拟合参数为磁化强度 11 μB/nm2。
(C) 沿样品中部横向线扫的杂散场随温度变化曲线。(D) 样品全域积分杂散场随温度变化关系，拟合可提取铁磁交换耦合常数J。
接下来就是整个研究最核心的发现 —— 磁噪声的反常温度依赖。按照物理直觉：温度越低，热涨落越弱，材料的磁噪声应该单调减小才对。但实验结果却颠覆了直觉：在铁磁有序态内（温度低于 11 K），随着温度持续降低，NV 测得的样品诱导磁噪声（1/T2）反而持续升高！
分别施加垂直样品的4 mT、沿NV轴的136 mT外场，取单层样品全域平均、由样品诱发的退相干速率与温度的关系。
这一看似违背常识的现象，恰恰是磁振子流体动力学的核心特征。磁振子流体中存在一种集体的 “声波模式”，温度升高时，该声模传播速度提升、寿命延长，这一相互作用带来的谱线收窄效应抵消了热涨落增强，最终体现为噪声随升温降低。团队基于磁振子流体动力学理论建立模型，完美复现了这一反常的温度依赖关系，还提取出了磁振子赝能隙等关键参数，和自旋波理论的预测高度吻合。
多层CrCl3块体样品 磁振子流体声模谱学直接证据
多层CrCl3由多层铁磁单层堆叠而成，层间存在弱反铁磁耦合。实验观测多层 CrCl3同样存在 1/T2反常温度依赖，行为与单层定性相似。
为探测流体层内声模对应的百兆赫兹频段响应，通过共面波导给样品施加不同频率的射频驱动，同时用 NV 探测驱动产生的附加磁噪声。随着驱动频率扫描，谱线上清晰地浮现出一个明显的共振峰 —— 这正是磁振子集体声模式的共振信号！
薄层块体三氯化铬中流体动力学磁子声模的谱学证据。
左上：频谱可由有限频率处的磁子声模共振项（蓝色曲线）与零频洛伦兹项（红色曲线）叠加完美拟合。在邻近无样品的空白金刚石区域开展对照测量，几乎无信号响应。
左下：由磁子声模与扩散模共同产生的受激噪声线型，与实验观测谱形完全吻合。
右图：不同温度下的实测频谱及对应拟合曲线。
两个关键特征，彻底排除了 “普通单磁振子共振” 的可能：
磁场依赖极弱：普通的横向自旋波（单磁振子）频率会随磁场强烈变化，但这个模式几乎不随磁场移动，完全符合纵向密度波（声模式）的特点；
居里温度以上消失：温度超过层内铁磁转变点后，共振信号完全消失，说明它只存在于磁有序的集体态中。
通过共振峰的位置，估算出磁振子声模式的传播速度约为 150 m/s，和理论预测的量级完全一致。这是首次在二维范德华磁体中，直接观测到这种起源于流体动力学的磁振子集体声模式。
一扇新的大门正在打开
这项工作不仅首次在二维铁磁体中实验证实了磁振子流体动力学的存在，更再次证明了金刚石NV色心量子精密测量在凝聚态物理前沿研究中的巨大价值。
曾经只能在理论中推演的二维磁振子流体、磁振子第二声、低耗散磁振子输运等新奇物理，现在都有了可实验观测的强大工具。未来，随着基于金刚石NV色心科研商用仪器普及，我们或许能在更多二维磁性材料中，看到磁振子 “像液体一样流动” 的奇妙景象，甚至催生出新一代低功耗的磁振子信息器件。
原文信息：Ruolan Xue et al., Magnon hydrodynamics in an atomically thin ferromagnet. Science392,873-878(2026)
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