磁場對量子材料中電子的運動有很大影響。在強磁場作用下，二維電子系統(tǒng)將表現(xiàn)出量子化的霍爾導(dǎo)電性、手性邊緣電流以及被稱為磁等離子體和磁激子的特殊集體模式。然而迄今為止，在電荷中性樣品中產(chǎn)生這些傳播的集體模式并在其固有的納米尺度范圍對其進行成像和表征在實驗上一直頗具挑戰(zhàn)。

石墨烯中狄拉克磁激子的研究

美國紐約州立石溪大學(xué)(Stony-Brook University) Mengkun Liu研究團隊，利用基于超精準(zhǔn)全開放強磁場低溫光學(xué)研究平臺-OptiCool自主搭建的低溫磁場掃描近場光學(xué)顯微鏡，在納米尺度上觀測到了傳播的磁激子極化激元，并報道了在近電荷中性石墨烯中的磁場可調(diào)色散。對這些集體模式及其相關(guān)的納米電光響應(yīng)進行成像，使研究者能夠識別樣品邊緣的極化激元調(diào)制光學(xué)和光熱效應(yīng)。這項研究為了解石墨烯在不同磁場下的行為提供了重要見解和證據(jù)。研究團隊表示，他們的發(fā)現(xiàn)有望推動石墨烯在光學(xué)和光電領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也為研究人員提供了更深入了解這種材料的機會。該項研究以Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene為題發(fā)表于頂級學(xué)術(shù)期刊nature nanotechnology。

圖1: 200K溫度時，六方氮化硼hBN封裝石墨烯樣品的磁場相關(guān)掃描近場光學(xué)顯微鏡m-SNOM和近場光電流、狄拉克磁激子DiME測量

圖2:在近電荷中性石墨烯中，在場調(diào)諧0→1朗道能級Landau levels躍遷區(qū)域的納米紅外圖像。

低溫強磁場近場光學(xué)顯微鏡技術(shù)

該項研究得益于低溫近場光學(xué)顯微鏡技術(shù)的創(chuàng)新。其中，超精準(zhǔn)全開放強磁場低溫光學(xué)研究平臺-OptiCool使該技術(shù)突破性的實現(xiàn)在高達7T的磁場下對二維材料的近場響應(yīng)進行納米成像。這種方法使研究者能夠通過利用高磁場來探索和操縱低載流子摻雜的樣品中的磁極化子。OptiCool可以提供1.7K的低溫環(huán)境，振動穩(wěn)定性更是低于10 nm。系統(tǒng)采用創(chuàng)新的雙錐形劈裂磁體，具有7T強磁場和超大的均勻區(qū)。樣品腔具有8個光學(xué)窗口，其中頂部光學(xué)窗口具有低至3 mm的近工作距離。該低溫設(shè)備推出以來促進了多項光學(xué)探測技術(shù)實現(xiàn)了低溫強磁場維度的拓展。這次低溫強磁場掃描近場光學(xué)顯微鏡的實現(xiàn)使得低溫強磁場光學(xué)測量手段更加豐富，對量子材料的研究更加深入。

圖3:作者公布的強磁場低溫近場光學(xué)顯微鏡裝置示意圖

強磁場低溫光學(xué)研究平臺-OptiCool 的其他整體話解決方案

除本次報到的低溫強磁場近場光學(xué)顯微鏡技術(shù)外，基于OptiCool系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)的低溫強磁場光學(xué)測量有：低溫強磁場下的Pump-porbe測量、低溫強磁場MOKE、低溫強磁場拉曼&熒光、低溫強磁場SHG。除了提供標(biāo)準(zhǔn)的強磁場低溫光學(xué)系統(tǒng)，Quantum Design中國子公司與合作的技術(shù)團隊可以為中國用戶提供整體化解決方案。目前已經(jīng)可以提供的解決方案包括低溫強磁場MOKE、拉曼&熒光、二次諧波，并且可以實現(xiàn)多種方案光路的自動化切換。

圖4:超精準(zhǔn)全開放強磁場低溫光學(xué)研究平臺-OptiCool

參考文獻：

[1]. Dapolito, M., Tsuneto, M., Zheng, W. et al. Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene. Nat. Nanotechnol. (2023).

原文鏈接https://doi.org/10.1038/s41565-023-01488-y

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1、超精準(zhǔn)全開放強磁場低溫光學(xué)研究平臺-OptiCool