物理学院向钢教授团队和王俊峰研究员团队合作，实现了基于碳化硅色心的二维磁性材料Fe₃GaTe₂的杂散场量子精密测量，该技术在量子精密测量和凝聚态物理的交叉领域具有重要意义。研究成果以 “Quantum Sensing of Room-Temperature Ferromagnetism in 2D Van der Waals Fe₃GaTe₂ Using Divacancy Spins in SiC” 发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。

近年来，许多新型自旋电子材料如范德华铁磁体和反铁磁体不断涌现并备受瞩目。其中室温范德华铁磁体 Fe₃GaTe₂因其卓越的铁磁特性引起了广泛关注，目前其室温下的自旋电子微纳原型器件已被制备出来。新型自旋电子材料和器件的出现，使得局域磁性质的探测显得尤为重要。尽管传统的磁探测技术发挥了关键作用，但其较低的空间分辨率和侵入性等特征限制了它们的进一步应用。金刚石中NV色心和六方氮化硼的硼空位色心，由于具有高灵敏度、高空间分辨率、无破坏性非侵入性以及宽工作温度范围等优势，可用作自旋量子传感器探测局域磁性，但金刚石和六方氮化硼衬底的生长和微纳制造工艺不成熟，将这些自旋量子传感器与实际电子器件集成仍然是一个巨大的挑战。

图1 (a)面内和面外磁场条件下，Fe₃GaTe₂的场冷和零场冷M-T曲线，(b) 利用碳化硅色心探测Fe₃GaTe₂的装置示意图，(c) Fe₃GaTe₂样品静磁性随温度的变化规律，其临界温度Tc~360 K，(d) Fe₃GaTe₂样品磁涨落速率随温度变化规律，在临界温度 Tc~360 K处出现峰值。

范德华铁磁体Fe₃GaTe₂具有高居里温度、大自旋极化和强垂直各向磁异性，是自旋量子探测的极佳候选材料。而碳化硅半导体中的双空位自旋色心，因碳化硅衬底的生长和相关微纳器件制备技术已成熟，作为自旋量子传感器具有巨大潜力。本研究利用碳化硅半导体中的双空位自旋色心作为自旋量子传感器，结合传统结构与磁性表征手段，实现了室温下对二维范德华铁磁体Fe₃GaTe₂的非侵入性原位杂散场探测。首先，在高纯氮气中采用机械剥离法制备获得了纳米级厚度的高质量Fe₃GaTe₂样品，随后制备了Hall Bar器件，并利用高分辨扫描透射电子显微镜、拉曼光谱、磁性测量和磁电输运测试对Fe₃GaTe₂的结构和磁电性质进行了系统研究。通过测试分析不同温度和磁场条件下Fe₃GaTe₂样品附近碳化硅双空位色心的光探测磁共振谱，证实Fe₃GaTe₂的居里温度(Tc)为360 K，矫顽场为9.7G，表明Fe₃GaTe₂在室温下具有稳定的铁磁特性。最后，通过自旋弛豫技术探测了Fe₃GaTe₂的动态磁涨落，结果表明Fe₃GaTe₂的磁涨落速率在居里温度Tc处出现峰值。综上所述，该研究不仅为深入理解以Fe₃GaTe₂为代表的范德华铁磁体的局域磁性开辟新路径，也为碳化硅色心量子传感器在范德华铁磁体非侵入性原位探测中的应用奠定了基础。

四川大学物理学院博士生陈霞和本科生罗钦月（现香港科技大学PhD在读）为论文共同第一作者，王俊峰研究员和向钢教授为论文共同通讯作者，四川大学为唯一通讯作者单位。该工作得到了科技部、国家基金委、四川省科技厅和四川大学的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202413529