近日，中國科學院合肥物質(zhì)院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊成功研制出一種直徑僅為22mm的緊湊型動態(tài)磁扭矩探測器，該設(shè)備磁矩測量靈敏度可達10^-17?A·m²量級，兼容穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置與各類小口徑商用磁體，填補了強磁場條件下對低維磁性和超導、量子功能材料、生物弱磁等材料進行超高靈敏磁性測量的技術(shù)空白。相關(guān)研究成果以《緊湊型動態(tài)磁扭矩探測器》（Compact Dynamic Cantilever Magnetometry）為題發(fā)表在《科學儀器評論》（Review of Scientific Instruments）上。

強磁場下的磁性測量是表征強磁場條件下材料物性的一個關(guān)鍵手段。目前，強磁場下的磁性測量采用的是振動樣品磁強計，在快速變場條件下，由于背景信號干擾大，導致其靈敏度低，只能用于探測宏觀尺寸材料的磁性信息。隨著物質(zhì)科學的發(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、二維超導材料、拓撲量子材料等。這些材料的體積小，磁信號弱，因此迫切需要開發(fā)強磁場下的超靈敏磁測量系統(tǒng)，以適應微、納尺度先進功能材料的研究需求。

針對這一技術(shù)難題，研究團隊設(shè)計出一種新型動態(tài)磁扭矩探測器。動態(tài)磁扭矩探測器是一種非常靈敏的磁性測量設(shè)備。該設(shè)備利用激光干涉測距技術(shù)，實時捕捉懸臂梁末端樣品引起的共振頻率變化，可以靈敏檢測單個微納尺度材料的磁性。而傳統(tǒng)動態(tài)磁扭矩探測器需借助三維精密定位臺對激光聚焦位置進行溫度補償調(diào)節(jié)，導致探頭直徑大于100mm，大大限制了其在小口徑商用磁體和穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置中的應用。

研究團隊提出并實現(xiàn)了一種激光自對焦補償技術(shù)，摒棄了繁重的機械定位裝置，成功將探頭直徑縮減至22 mm，使得設(shè)備兼容綜合物性測量系統(tǒng)（26 mm口徑）、Janis?9?T磁體和穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（32 mm口徑）等多類磁體，并具有10^-17 A·m²量級的磁矩測量靈敏度。該設(shè)備已成功測得二維磁性材料Cr₂Ge₂Te₆的磁矩、磁各向異性參數(shù)，并在Kagome金屬ZrV₆Sn₆中清晰觀測到量子振蕩現(xiàn)象，充分驗證了其在強磁場下對微弱磁信號的靈敏探測能力。

該緊湊型動態(tài)磁扭矩探測器不僅大幅縮小了探頭體積、提升了系統(tǒng)兼容性，而且極大拓展了強磁場下超高靈敏磁性測量的應用范圍，將為低維磁性材料、量子物態(tài)研究及生物磁學等前沿領(lǐng)域提供強有力的技術(shù)支撐。

該研究工作得到科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、安徽省科技廳的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0259803

緊湊型動態(tài)磁扭矩探測器