反铁磁体最近成为自旋电子学应用的有吸引力的平台，与铁磁体相比，提供了全新的功能。虽然纳米薄膜材料是未来反铁磁自旋电子学技术发展的关键，但在纳米尺度上探索这种薄膜的实验工具仍然很少。在这里，我们提供了一个解决这个技术瓶颈，通过解决无处不在的表面磁化的磁电反铁磁体的颗粒状薄膜样品在纳米尺度上使用单自旋磁强计结合自旋敏感的运输实验。具体来说，我们定量成像了200 nm Cr $_2$ O $_3$薄膜中单个纳米级反铁磁畴在真实空间中以及顺磁到反铁磁相变中的演变。这些实验使我们能够辨别的Cr $_2$ O $_3$薄膜的关键性能，包括域形成的机制和组成膜的各个晶粒之间的交换耦合的强度。我们的工作为Cr $_2$ O $_3$的磁有序机制提供了新的见解，并建立了单自旋磁测量作为一种新的，广泛适用的反铁磁薄膜纳米级寻址的工具。
英文摘要：
Antiferromagnets have recently emerged as attractive platforms for spintronics applications, offering fundamentally new functionalities compared to their ferromagnetic counterparts. While nanoscale thin film materials are key to the development of future antiferromagnetic spintronics technologies, experimental tools to explore such films on the nanoscale are still sparse. Here, we offer a solution to this technological bottleneck, by addressing the ubiquitous surface magnetisation of magnetoelectic antiferromagnets in a granular thin film sample on the nanoscale using single-spin magnetometry in combination with spin-sensitive transport experiments. Specifically, we quantitatively image the evolution of individual nanoscale antiferromagnetic domains in 200-nm thin-films of Cr$_2$O$_3$ in real space and across the paramagnet-to-antiferromagnet phase transition. These experiments allow us to discern key properties of the Cr$_2$O$_3$ thin film, including the mechanism of domain formation and the strength of exchange coupling between individual grains comprising the film. Our work offers novel insights into Cr$_2$O$_3$'s magnetic ordering mechanism and establishes single spin magnetometry as a novel, widely applicable tool for nanoscale addressing of antiferromagnetic thin films.
Tunable dynamical magnetoelectric effect in antiferromagnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$ films
40多年前，在粒子物理学中，为了解决强$\mathcal{CP}$（电荷共轭和宇称）难题，轴子被假定为具有低质量和弱相互作用的基本粒子。轴子也被认为是宇宙暗物质的可能组成部分。然而，自然界中轴子的存在尚未得到证实。有趣的是，轴子是从凝聚态物理中的陈-西蒙斯理论衍生出来的赝标量场。在反铁磁绝缘体中，自旋波激发可以动态诱导轴子场，并表现出丰富的奇异现象，例如手征磁效应、轴子极化激元等，但由于缺乏真实材料，对动态轴子场的研究还很少见。最近，MnBi $_2$ Te $_4$被发现是一种反铁磁拓扑绝缘体，其量子化的轴子场受到反转对称性$\mathcal{P}$和磁晶对称性$\mathcal{S}$的保护。本文研究了$\mathcal{P}$和$\mathcal{S}$对称性自发破缺的MnBi $_2$ Te $_4$薄膜，发现通过调节MnBi $_2$ Te $_4$薄膜的厚度、温度和元素替代，可以实现动态轴子场和可调的动态磁电效应.我们的研究结果为反铁磁拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$及相关材料中轴子动力学的研究开辟了广阔的途径，也有望推动暗物质的研究.
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Shenzhen University（深圳大学）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学合肥国家实验室）；Quantum Science Center of Guangdong-Hongkong-Macao Greater Bay Area (Guangdong)（粤港澳大湾区量子科学中心（广东））；The University of Hong Kong（香港大学）
Large dynamical axion field in topological antiferromagnetic insulator Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$
动力学轴子场是一种新的量子物质状态，其磁电响应与低能磁涨落强烈耦合。它与具有静态量子化磁电响应的轴子绝缘体有着根本的不同。动力学轴子场表现出许多奇异现象，如轴子极化激元和轴子不稳定性。然而，由于缺乏合适的拓扑磁性材料，这些效应尚未得到实验证实。在这里，通过结合分析模型和第一性原理计算，我们预测了一系列的范德华层状Mn $_2$ Bi $_2$ Te $_5$相关的拓扑反铁磁材料可以托管长期寻求的动力学轴子场的拓扑起源。我们还证明了在接近拓扑相变的反铁磁绝缘态中可以获得大的动力学轴子场。我们进一步提出了光学和输运实验来检测这样的动力学轴子场。我们的结果可以直接帮助和促进在现实材料中寻找拓扑起源的大动力学轴子场。
