近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心低功耗量子材料研究團(tuán)隊(duì)成功研制出一種直徑僅為22mm的緊湊型動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器，該設(shè)備磁矩測(cè)量靈敏度可達(dá)10-17?A·m2量級(jí)，兼容穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置與各類(lèi)小口徑商用磁體，填補(bǔ)了強(qiáng)磁場(chǎng)條件下對(duì)低維磁性和超導(dǎo)、量子功能材料、生物弱磁等材料進(jìn)行超高靈敏磁性測(cè)量的技術(shù)空白。相關(guān)研究成果以《緊湊型動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器》（Compact Dynamic Cantilever Magnetometry）為題發(fā)表在《科學(xué)儀器評(píng)論》（Review of Scientific Instruments）上。
強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁性測(cè)量是表征強(qiáng)磁場(chǎng)條件下材料物性的一個(gè)關(guān)鍵手段。目前，強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁性測(cè)量采用的是振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，在快速變場(chǎng)條件下，由于背景信號(hào)干擾大，導(dǎo)致其靈敏度低，只能用于探測(cè)宏觀尺寸材料的磁性信息。隨著物質(zhì)科學(xué)的發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新奇的低維量子材料和量子物態(tài)，如量子磁性材料、二維超導(dǎo)材料、拓?fù)淞孔硬牧系取＿@些材料的體積小，磁信號(hào)弱，因此迫切需要開(kāi)發(fā)強(qiáng)磁場(chǎng)下的超靈敏磁測(cè)量系統(tǒng)，以適應(yīng)微、納尺度先進(jìn)功能材料的研究需求。
針對(duì)這一技術(shù)難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新型動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器。動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器是一種非常靈敏的磁性測(cè)量設(shè)備。該設(shè)備利用激光干涉測(cè)距技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉懸臂梁末端樣品引起的共振頻率變化，可以靈敏檢測(cè)單個(gè)微納尺度材料的磁性。而傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器需借助三維精密定位臺(tái)對(duì)激光聚焦位置進(jìn)行溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)，導(dǎo)致探頭直徑大于100mm，大大限制了其在小口徑商用磁體和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種激光自對(duì)焦補(bǔ)償技術(shù)，摒棄了繁重的機(jī)械定位裝置，成功將探頭直徑縮減至22 mm，使得設(shè)備兼容綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（26 mm口徑）、Janis?9?T磁體和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（32 mm口徑）等多類(lèi)磁體，并具有10-17 A·m2量級(jí)的磁矩測(cè)量靈敏度。該設(shè)備已成功測(cè)得二維磁性材料Cr2Ge2Te6的磁矩、磁各向異性參數(shù)，并在Kagome金屬ZrV6Sn6中清晰觀測(cè)到量子振蕩現(xiàn)象，充分驗(yàn)證了其在強(qiáng)磁場(chǎng)下對(duì)微弱磁信號(hào)的靈敏探測(cè)能力。
該緊湊型動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器不僅大幅縮小了探頭體積、提升了系統(tǒng)兼容性，而且極大拓展了強(qiáng)磁場(chǎng)下超高靈敏磁性測(cè)量的應(yīng)用范圍，將為低維磁性材料、量子物態(tài)研究及生物磁學(xué)等前沿領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
該研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、安徽省科技廳的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0259803
緊湊型動(dòng)態(tài)磁扭矩探測(cè)器
