論文の概要: Quantum Noise Spectroscopy of Critical Slowing Down in an Atomically Thin Magnet

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.05614v1
• Date: Mon, 8 Jul 2024 05:00:12 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-07-09 17:00:01.937455
• Title: Quantum Noise Spectroscopy of Critical Slowing Down in an Atomically Thin Magnet
• Title（参考訳）: 原子状磁性体における臨界スローダウンの量子ノイズ分光
• Authors: Mark E. Ziffer, Francisco Machado, Benedikt Ursprung, Artur Lozovoi, Aya Batoul Tazi, Zhiyang Yuan, Michael E. Ziebel, Tom Delord, Nanyu Zeng, Evan Telford, Daniel G. Chica, Dane W. deQuilettes, Xiaoyang Zhu, James C. Hone, Kenneth L. Shepard, Xavier Roy, Nathalie P. de Leon, Emily J. Davis, Shubhayu Chatterjee, Carlos A. Meriles, Jonathan S. Owen, P. James Schuck, Abhay N. Pasupathy,
• Abstract要約: 磁性材料の低周波臨界変動は、磁気秩序の物理に関する重要な情報を符号化する。 我々は,Van der Waals磁性材料CrSBrの3層試料における臨界力学を定量的に研究するために,$T$のノイズ磁気メトリーを実装した。 我々は,Ising予測から逸脱した$nu$の値を見つけ,CrSBrの2次元限界における磁気揺らぎモードの臨界挙動を変化させる上での長距離双極子相互作用の役割を示唆する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3749481652856809
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Low frequency critical fluctuations in magnetic materials encode important information about the physics of magnetic ordering, especially in the associated critical exponents. While a number of techniques have been established to study magnetic critical fluctuations in bulk materials, few approaches maintain the required microscopic resolution, temporal range, and signal sensitivity to quantitatively analyze critical fluctuations in magnetic phases of 2D materials. Using nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond as quantum probes, we implement $T_2$ (spin decoherence) noise magnetometry to quantitatively study critical dynamics in a tri-layer sample of the Van der Waals magnetic material CrSBr. We characterize critical fluctuations across the magnetic phase transition in CrSBr by analyzing the NV spin echo coherence decay on time scales that approach the characteristic fluctuation correlation time $\tau_c$ at criticality, allowing us to study the temperature dependence of critical slowing down. By modelling the spin echo decoherence using theoretical models for critical dynamics, we are able to extract the critical exponent $\nu$ for the correlation length. We find a value for $\nu$ which deviates from the Ising prediction and suggests the role of long-range dipolar interactions in modifying the critical behavior of magnetic fluctuation modes in CrSBr at the 2D limit. We further compare the divergence of correlation length in CrSBr to the predicted exponential divergence for 2D XY criticality, and find evidence suggesting the possibility of such behavior in a temperature window near $T_C$ where static magnetic domains are absent. Our work provides a first demonstration of the capability of decoherence based NV noise magnetometry to quantitatively analyze critical scaling laws in 2D materials.
• Abstract（参考訳）: 磁性材料の低周波臨界変動は、特に関連する臨界指数において、磁気秩序の物理に関する重要な情報を符号化する。 バルク材料の磁気臨界ゆらぎを研究するために多くの技術が確立されているが、2次元材料の磁気位相における臨界ゆらぎを定量的に解析するために必要な顕微鏡分解能、時間範囲、信号感度を維持できるアプローチは少ない。 ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心を量子プローブとして、Van der Waals磁性材料CrSBrの3層試料における臨界ダイナミクスを定量的に研究するために、T_2$(スピンデコヒーレンス)ノイズマグネトメトリーを実装した。 我々はCrSBrの磁気相転移における臨界揺らぎを、臨界時の特性ゆらぎ相関時間$\tau_c$に近づく時間スケールでNVスピンエコーコヒーレンス崩壊を解析し、臨界減速の温度依存性を研究することで特徴付ける。 臨界力学の理論モデルを用いてスピンエコーデコヒーレンスをモデル化することにより、相関長に対して臨界指数$\nu$を抽出することができる。 We find a value for $\nu$ which devirate from the Ising prediction and suggests the role of long-range dipolar interaction in the critical behavior of CrSBr at the 2D limit。 さらに, CrSBrの相関長のばらつきと2次元XY臨界値の指数発散の予測値との比較を行い, 静的磁区が存在しない温度窓付近でそのような挙動の可能性を示す証拠を見出した。 本研究は,2次元材料における臨界スケーリング則を定量的に解析するために,デコヒーレンスに基づくNVノイズマグネトメトリーの能力を初めて示すものである。

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