——OptiCool為您重新詮釋低溫、磁場(chǎng)、光學(xué)

超精準(zhǔn)全開(kāi)放低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)-OptiCool是由Quantum Design公司研發(fā)的新型強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)研究平臺(tái)，該產(chǎn)品是Quantum Design在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備領(lǐng)域豐富制造經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。產(chǎn)品面世短短幾年，已助力全球用戶在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量方面取得了豐碩的成果。隨著用戶的不斷增多，OptiCool的應(yīng)用方向也在被不斷地發(fā)掘。目前已經(jīng)在拉曼&熒光光譜、超快泵浦測(cè)量、磁光克爾&RMCD測(cè)量、二次諧波測(cè)量、THz測(cè)量、低溫近場(chǎng)光學(xué)測(cè)量等多個(gè)方向取得了重要成果。本文將帶您簡(jiǎn)單回顧近兩年來(lái)的重要成果。

一、 低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的THz光電測(cè)量

日前，新加坡國(guó)立大學(xué)的Denis A. Bandurin研究團(tuán)隊(duì)研究了由雙層石墨烯（BLG）與六方氮化硼（hBN）形成的莫爾超晶格的電子特性。研究揭示了在特定的能帶填充情況下，莫爾帶中出現(xiàn)了補(bǔ)償半金屬的現(xiàn)象，這些莫爾帶由發(fā)生Lifshitz躍遷的van Hove奇點(diǎn)隔開(kāi)。該工作發(fā)現(xiàn)了低磁場(chǎng)下顯著的磁阻效應(yīng)，達(dá)到了2350%。通過(guò)THz驅(qū)動(dòng)的能斯效應(yīng)，作者還觀察到與拓?fù)浯啪叵嚓P(guān)的強(qiáng)谷分裂，發(fā)現(xiàn)了具有高達(dá)340有效g因子的軌道磁化特征。本工作以High-Mobility Compensated Semimetals, Orbital Magnetization, and Umklapp Scattering in Bilayer Graphene Moire? Superlattices為題發(fā)表于ACS Nano雜志（ACS Nano 2024, 18, 11769?11777）。

本篇文章中作者利用OptiCool提供的低溫磁場(chǎng)環(huán)境，對(duì)樣品進(jìn)行了磁電輸運(yùn)和THz相關(guān)的激發(fā)測(cè)量。

BLG/hBN莫爾超晶格樣品與THz激發(fā)下的磁電輸運(yùn)測(cè)量

作者公布的THz激發(fā)下磁電輸運(yùn)測(cè)量的裝置示意圖

此項(xiàng)工作亦探討了在高溫下電子-電子Umklapp散射對(duì)系統(tǒng)電阻率的影響。借助磁電輸運(yùn)測(cè)量和太赫茲激發(fā)等研究手段，為理解這些材料的行為提供了寶貴的見(jiàn)解。該項(xiàng)工作為石墨烯基材料在先進(jìn)電子設(shè)備中的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。

二、  低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描近場(chǎng)光學(xué)成像

美國(guó)紐約州立石溪大學(xué)(Stony-Brook University) Mengkun Liu研究團(tuán)隊(duì)，利用基于超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool自主搭建的低溫磁場(chǎng)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，在納米尺度上觀測(cè)到了傳播的磁激子極化激元，并報(bào)道了在近電荷中性石墨烯中的磁場(chǎng)可調(diào)色散。對(duì)這些集體模式及其相關(guān)的納米電光響應(yīng)進(jìn)行成像，使研究者能夠識(shí)別樣品邊緣的極化激元調(diào)制光學(xué)和光熱效應(yīng)。這項(xiàng)研究為了解石墨烯在不同磁場(chǎng)下的行為提供了重要見(jiàn)解和證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)表示，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有望推動(dòng)石墨烯在光學(xué)和光電領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)也為研究人員提供了更深入了解這種材料的機(jī)會(huì)。該項(xiàng)研究以Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene為題發(fā)表于頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊nature nanotechnology （Nature Nanotechnology volume 18, pages1409–1415 (2023)）。

200K溫度時(shí)，六方氮化硼hBN封裝石墨烯樣品的磁場(chǎng)相關(guān)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡m-SNOM和近場(chǎng)光電流、狄拉克磁激子DiME測(cè)量

在近電荷中性石墨烯中，在場(chǎng)調(diào)諧0→1朗道能級(jí)Landau levels躍遷區(qū)域的納米紅外圖像。

作者公布的強(qiáng)磁場(chǎng)低溫近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡裝置示意圖

本篇工作中作者利用超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool在高達(dá)7T的磁場(chǎng)和低溫條件下實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)，并對(duì)二維材料的近場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行納米成像。此方法使研究者得以利用高磁場(chǎng)來(lái)探索和操縱低載流子摻雜樣品中的磁極化子。

三、 低溫磁光研究

哈佛大學(xué)的徐蘇楊(Suyang Xu)團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)洛杉磯分校的Ni Ni團(tuán)隊(duì)通過(guò)磁圓二色性和光感應(yīng)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)二維偶數(shù)層MnBi₂Te₄（一種既沒(méi)有手性也沒(méi)有磁化的拓?fù)漭S子絕緣體）材料進(jìn)行了研究，觀察到了驚人的反鐵磁序?qū)鈱W(xué)控制依賴性。為了理解這種控制，作者研究了反鐵磁圓二色性，它只出現(xiàn)在反射中，但在透射中不存在。通過(guò)系統(tǒng)研究，作者證明了光學(xué)控制和圓二色性都源于光軸電動(dòng)力學(xué)。

這些研究強(qiáng)調(diào)了Berry曲率和軸子電動(dòng)力學(xué)在理解所觀察到的光學(xué)現(xiàn)象方面的重要性，并展示了磁化和手性順序的光學(xué)控制潛力，為先進(jìn)的磁存儲(chǔ)和無(wú)耗散電路鋪平了道路。該研究工作以Axion optical induction of antiferromagnetic order為題發(fā)表在nature materials上（Nature Materials volume 22, pages583–590 (2023)）。

在該篇文章中作者基于超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool搭建了磁圓二色性測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)量反射和透射光的二色性。該工作展示了OptiCool優(yōu)秀的開(kāi)放性，可以滿足用戶多種復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)。

量子材料MnBi₂Te₄光學(xué)依賴的螺旋度控制和測(cè)量示意圖

四、我們可以提供的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)綜合光學(xué)測(cè)量方案

針對(duì)不同領(lǐng)域科研用戶的具體需求，為了避免用戶將大量精力花費(fèi)在實(shí)驗(yàn)裝置搭建上，整體化的實(shí)驗(yàn)解決方案顯得尤為重要。近期，針對(duì)用戶在實(shí)驗(yàn)方面遇到的實(shí)際困難，Quantum Design中國(guó)聯(lián)合多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)人員基于超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)系統(tǒng)以及多種低溫恒溫器，提出了整體化的低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)綜合光學(xué)測(cè)量方案。目前Quantum Design中國(guó)已經(jīng)可以向國(guó)內(nèi)用戶提供的實(shí)驗(yàn)解決方案有，低溫強(qiáng)磁場(chǎng)拉曼&熒光、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)MOKE&RMCD、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)二次諧波。并且可以在同一臺(tái)OptiCool或其他低溫設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量手段，不同測(cè)量功能可以自動(dòng)化切換。

多種測(cè)量功能模塊的OptiCool低溫強(qiáng)磁場(chǎng)綜合光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

Quantum Design中國(guó)以全球眾多優(yōu)秀的設(shè)備制造商為基礎(chǔ)，與多個(gè)科研領(lǐng)域的科研技術(shù)人員緊密協(xié)作，整合多元的優(yōu)質(zhì)資源，傾力打造的多功能低溫強(qiáng)磁場(chǎng)綜合光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)必能將在低溫光學(xué)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，助力中國(guó)科學(xué)家再攀高峰。