超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器

應(yīng)用域

金剛石色心、NV色心、量子計(jì)算、量子光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)、自旋電子學(xué)、磁光克爾效應(yīng)、單光子發(fā)射......

基本點(diǎn)

★  低溫度波動(dòng)和納米的震動(dòng)可為各種測(cè)量提供穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

★  超大溫區(qū)（3.2K - 350K）與超快的變溫速度可提高實(shí)驗(yàn)效率。

★  全干式系統(tǒng)，無需消耗氦氣或液氦，可很大降低實(shí)驗(yàn)成本。

實(shí)用性勢(shì)

★  直觀的用戶界面和全自動(dòng)控制系統(tǒng)提高了實(shí)驗(yàn)效率。

★  電學(xué)和光學(xué)通道以及樣品安裝都很大地提高了實(shí)驗(yàn)靈活性。

★  *集成、交鑰匙設(shè)計(jì)方案，讓您快速啟動(dòng)和實(shí)現(xiàn)研究計(jì)劃。

★  桌面式設(shè)計(jì)方案，方便移動(dòng)，無縫銜接現(xiàn)有的室溫實(shí)驗(yàn)方案。

設(shè)備介紹

制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)采用制冷機(jī)閉循環(huán)制冷方式，只有少量氦氣密封在系統(tǒng)內(nèi)部，日常運(yùn)行無需消耗液氦或氦氣^①

★  降低成本：日常運(yùn)行不消耗氦氣可在很大程度上降低試驗(yàn)成本。

★  操作簡(jiǎn)單：省去了更換氦氣瓶和監(jiān)測(cè)氦氣量等繁瑣的實(shí)驗(yàn)工作。

系統(tǒng)采用變頻壓縮機(jī)，改善了實(shí)驗(yàn)的能耗和性能^②

★  低能耗需求：只需單項(xiàng)50Hz 208-240V電力需求，無需水冷機(jī)，功率3.6KW。

★  低噪音：壓縮機(jī)采用的變頻技術(shù)在降低能耗的同時(shí)較大程度上降低了冷頭的工作噪音和震動(dòng)。

系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用化的設(shè)計(jì)方案，恒溫器、樣品臺(tái)可直接固定在任何的光學(xué)桌面上^③

★  便捷性：樣品腔周圍可搭建各種光路，方便實(shí)現(xiàn)各種光路實(shí)驗(yàn)方案。

★  靈活性：系統(tǒng)可安裝在英制或公制光學(xué)桌面，可與螺孔陣列平行或成45°角。

★  模塊化：無需任何額外的輔助設(shè)施，可以方便的移動(dòng)設(shè)備。

系統(tǒng)控制

嵌入式程序的觸摸屏控制^④

★  全自動(dòng)、化的溫度控制：簡(jiǎn)單設(shè)定目標(biāo)溫度，鍵Cooldown。

★  其他參數(shù)控制：可實(shí)現(xiàn)定制化參數(shù)控制，例如樣品腔除氣或干燥氮?dú)鉀_洗。

★  監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)：用戶界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包括溫度、溫度穩(wěn)定性、系統(tǒng)真空度等。

★  軟件記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)：方便數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

遠(yuǎn)程控制與其他語言

★  遠(yuǎn)程控制：用虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(VNC)技術(shù)，可通過電腦方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

★  外部腳本：支持多種現(xiàn)代語言通過RESTful API腳本控件進(jìn)行編程控制（Python, MATLAB, LabVIEW, C# 等）。

★  遠(yuǎn)程診斷：工程師可以方便的通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行診斷和排除。

系統(tǒng)與真空控制單元的*自動(dòng)化流程^⑤

★  *自動(dòng)化控制：系統(tǒng)在抽真空、降溫、恒溫、升溫、充氣等全過程可以自動(dòng)設(shè)定化的參數(shù)。

★  完善的系統(tǒng)監(jiān)控：系統(tǒng)通過自動(dòng)的過程監(jiān)控與錯(cuò)誤處理保護(hù)系統(tǒng)和樣品，避免誤操作。

★  干燥氮?dú)馇逑催x件：抽真*或充氣時(shí)可以減少外界大氣環(huán)境的影響有助于快速降溫。

樣品環(huán)境

樣品的安裝和更換可直接通過取下外層（真空層）和屏蔽層的蓋子即可。

★  可選擇的實(shí)驗(yàn)配置：有各種樣品安裝方案和位置控制選件可供選擇，包括光纖和RF探針組件以及用于光子探測(cè)的配置。

★  預(yù)置電學(xué)接口：系統(tǒng)為用戶提供了預(yù)置低頻電測(cè)量和額外溫度計(jì)安裝的直流電學(xué)通道。

★  擴(kuò)展接口選件：通過側(cè)面板可將RF、光纖、氣體和額外的直流通道引入樣品腔。

四周和頂部的窗口方便將各方向的光路引入樣品腔。

★  靈活的光路方案：適應(yīng)各種測(cè)量光路，如透射、側(cè)反射和頂部顯微鏡。

★  超高的收集效率：提供高NA與近工作距離選件。

★  光學(xué)材質(zhì)：可以輕松更換各種波長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)需求的窗口。

性能表現(xiàn)

多個(gè)*技術(shù)相結(jié)合，在不犧牲低溫度和制冷功率的基礎(chǔ)上化了熱穩(wěn)定性和震動(dòng)穩(wěn)定性。

★  實(shí)現(xiàn)低溫度：采用有的材料和熱阻尼技術(shù)，使系統(tǒng)在給定的配置下達(dá)到盡可能低的溫度。

★  滿足震動(dòng)敏感測(cè)量：采用減震技術(shù)，隔冷頭震動(dòng)的同時(shí)對(duì)樣品采用剛性支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)納米的超低震動(dòng)。

★  全溫區(qū)保持樣品的光路準(zhǔn)確性：采用膨脹系數(shù)抵消式結(jié)構(gòu)，保證全溫區(qū)范圍內(nèi)樣品的超低位置漂移。

★  保證每個(gè)溫度點(diǎn)的穩(wěn)定性：采用主動(dòng)與被動(dòng)參數(shù)控制技術(shù)，使每個(gè)溫度點(diǎn)的溫度波動(dòng)減小到傳統(tǒng)制冷機(jī)波動(dòng)的二十分之。

CE認(rèn)證

系統(tǒng)是非常成熟的定型化產(chǎn)品，已取得CE認(rèn)證。

設(shè)備型號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)恒溫器系列

■  Cryostation® S50低溫平臺(tái)

       S50是新型超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器的基本型號(hào)。該恒溫器具有傳統(tǒng)恒溫器不可比擬的勢(shì)。S50樣品腔具有5個(gè)光學(xué)窗口，可配置近工作距離選件。該型號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)恒溫器系列中選件兼容性廣泛的恒溫器，可與多種選件或定制零件進(jìn)行搭配以滿足各種實(shí)驗(yàn)需求。

Cryostation^® S50

超震動(dòng)穩(wěn)定性：樣品臺(tái)震動(dòng)的峰-峰值<5nm，有效值（均方根RMS）~0.25nm。 

異的溫度性能：大的控溫范圍，3.2K-350K （無熱負(fù)載時(shí)低至<3K）；溫度穩(wěn)定性佳，在限低溫時(shí)溫度波動(dòng)始終小于10mK（峰-峰值）；超快變溫速度，Cool down ~2 小時(shí)（如果配置復(fù)雜，可能長(zhǎng)于2小時(shí)）。

■  Cryostation^® S100低溫平臺(tái)

       S100是Cryostation^®系列恒溫器為滿足較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案而推出的中型樣品腔型號(hào)。S100具有較大的樣品空間，可滿足更多的線路或高頻線路接入，可集成橫向的鏡頭，滿足橫向共聚焦光路的搭建，可集成多組位移器。該型號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)恒溫器系列中定制化方案更靈活的型號(hào)，可以滿足配置較為復(fù)雜的低溫實(shí)驗(yàn)。

Cryostation^® S100 

模塊化的接線面板：在樣品腔中提供模塊化的低溫接線面板，接線模塊可滿足多種接線類型（交、直流、射頻、光纖），大大提升了實(shí)驗(yàn)的靈活性。

樣品空間：S100的樣品腔尺寸介于S50和S200之間，兼顧降溫時(shí)間和樣品腔空間，在盡量小的影響降溫速率前提下盡可能的增加了樣品空間，使用戶可以設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。

光學(xué)靈活性：更大的空間意味著可以容納更多的光學(xué)元件，樣品位置也可以有更多的選擇。

■  Cryostation® S200低溫平臺(tái)

       為了使用戶有更大的空間進(jìn)行復(fù)雜低溫試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，Montana Instruments研發(fā)了大型系統(tǒng)Cryostation® S200。該型號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)恒溫器系列中的大型號(hào)。直徑196mm的樣品腔使用戶可以在低溫區(qū)域搭建復(fù)雜的光路。

Cryostation®S200

樣品臺(tái)：低溫樣品臺(tái)為帶螺孔的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)面包板，可以任意設(shè)計(jì)光路。

光學(xué)靈活性：9個(gè)光學(xué)窗口，支持多根光纖接入。

樣品空間：Ф196 mm樣品腔可滿足各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。

集成式系統(tǒng)

■  CRYO-OPTIC^®物鏡集成系統(tǒng)

       CRYO-OPTIC^®系統(tǒng)將光學(xué)物鏡集成到Cryostation的樣品腔中，在低溫下實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定、高質(zhì)量的大數(shù)值孔徑成像。CRYO-OPTIC^®系統(tǒng)的設(shè)計(jì)消除了在低溫設(shè)備中使用高倍物鏡時(shí)所面臨的對(duì)準(zhǔn)和漂移問題。

       系統(tǒng)對(duì)配件和選件具有良好兼容性，允許用戶自定義設(shè)備的具體配置以滿足*的實(shí)驗(yàn)需求。可選內(nèi)置的XYZ納米位移器用于樣品定位和聚焦，可選快速變溫樣品臺(tái)，用于樣品的快速變溫控制。

性能勢(shì)

★  技術(shù)允許集成物鏡保持在室溫，確保超穩(wěn)定的位置和焦點(diǎn)控制。

★  對(duì)高倍物鏡和樣品的溫度進(jìn)行主動(dòng)控制，使其溫度穩(wěn)定性在10 mK 以內(nèi)，超高的穩(wěn)定性使其在較小的溫度變化后無需重新聚焦。

★  通過將物鏡從恒溫器和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中分離出來，立控制，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定測(cè)量條件所需的時(shí)間大大減少。

Cryostation S50 - CO（豎直物鏡集成系統(tǒng)）

       該方案是為豎直共焦顯微鏡設(shè)計(jì)的，同時(shí)系統(tǒng)具有側(cè)面光學(xué)窗口，允許用戶看到樣品和焦距的大致調(diào)節(jié)。

■  Cryostation S100 – CO（水平物鏡集成系統(tǒng)）

       S100 - CO的水平安裝方案可與其他光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)無縫銜接，允許快速、方便的更換樣品。*的輻射屏蔽層設(shè)計(jì)保證更換樣品的同時(shí)不改變物鏡的位置，確保物鏡始終處于光路的適合位置。

■  Cryostation S200 – CO（定制物鏡集成系統(tǒng)）

       Cryostation S200可以實(shí)現(xiàn)定制化的物鏡集成。物鏡水平安裝，與低溫面包板組成自由光路，可通過壓電位移器實(shí)現(xiàn)光路的調(diào)節(jié)。

■  MAGNETO-OPTIC（MO）磁體集成系統(tǒng)

       MAGNETO-OPTIC直接將磁體集成到低溫樣品腔中。這附加模塊不影響系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性，磁體系統(tǒng)具有*自動(dòng)化的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可兼容多種選件和配件，包括內(nèi)置壓電位移器等。用戶可選擇不同配置以滿足*的實(shí)驗(yàn)需求。

性能勢(shì)

★  設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，具有*的設(shè)計(jì)，保證便捷的樣品更換和光路便捷性。

★  自動(dòng)退磁，采用震蕩歸零的方式減小電流，以消除磁場(chǎng)設(shè)置為零時(shí)的剩余磁場(chǎng)。

★  完備系統(tǒng)，系統(tǒng)包括校準(zhǔn)霍爾探頭、電源和循環(huán)冷卻系統(tǒng)，用戶無需額外輔助設(shè)備。

■  CryoMOKE低溫磁光克爾集成系統(tǒng)

       為了滿足用戶變溫MOKE的測(cè)量需求，該系統(tǒng)結(jié)合了英國(guó)Durham 公司的NanoMOKE3系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)用MAGNETO-OPTIC的靈活性與NanoMOKE3的強(qiáng)大功能為用戶打造了高性能的低溫磁光克爾測(cè)量平臺(tái)。

■  CryoFMR低溫鐵磁共振集成系統(tǒng)

       Montana Instruments 為用戶提供高精度的低溫鐵磁共振集成系統(tǒng)。使得樣品可以在不同溫度、光照情況下進(jìn)行鐵磁共振實(shí)驗(yàn)，方便研究樣品在光激發(fā)狀態(tài)下的磁學(xué)性。該系統(tǒng)配備NanOsc Instruments AB公司的高精度鐵磁共振測(cè)試儀，并且操作簡(jiǎn)單。

■  Cryo Mossbauer低溫穆斯堡爾集成系統(tǒng)

       Cryo Mossbauer系統(tǒng)提供完整的集成式變溫透射穆斯堡爾測(cè)量方案。Montana Instruments 采用了MS96光譜儀與Montana恒溫器的用戶友好型集成方案，設(shè)備簡(jiǎn)單易用。兩個(gè)域的廠商確保了設(shè)備的可靠性。

應(yīng)用案例

■  無褶皺超平石墨烯的變溫拉曼測(cè)量

       南京大學(xué)高力波教授、奚嘯翔教授等多個(gè)課題組合作，采用質(zhì)子輔助的CVD方法生長(zhǎng)制備出了無褶皺的超平石墨烯。該方法成功解決了傳統(tǒng)CVD制備石墨烯過程中由于石墨烯與基質(zhì)材料強(qiáng)耦合作用而形成的褶皺，這為石墨烯在二維電子器件等域的應(yīng)用掃除了大障礙。文章表明，在質(zhì)子輔助的CVD制備方法中，質(zhì)子能夠滲透石墨烯，對(duì)石墨烯和襯底之間的范德瓦爾斯相互作用進(jìn)行去耦合，使褶皺*消失。該方法還可以對(duì)傳統(tǒng)CVD制備過程中產(chǎn)生的褶皺進(jìn)行很大程度的去除。此外，通過新方法制備的超平石墨烯材料，不僅具有異的清潔能力，還在測(cè)量中展示了室溫量子霍爾效應(yīng)。研究認(rèn)為，質(zhì)子輔助的CVD方法不僅能制備出高質(zhì)量的石墨烯，并且對(duì)制備其他種類的納米材料具有普適性，為制備高質(zhì)量的二維材料提供了種新途徑。相關(guān)成果發(fā)表在Nature。

       值得提的是，文章中對(duì)樣品進(jìn)行了高質(zhì)量的變溫Raman測(cè)量（南京大學(xué)物理學(xué)院奚嘯翔教授通過Montana Instruments公司生產(chǎn)的Cryostation®系列高性能恒溫器與普林斯頓光譜儀聯(lián)合測(cè)量完成。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)表明了基于Cryostation系列恒溫器的變溫拉曼具有非常異且穩(wěn)定的性能。），清晰的展示了不同制備與處理?xiàng)l件的石墨烯G峰和2D峰隨溫度變化的峰位移動(dòng)。揭示了石墨烯與襯底之間相互作用的強(qiáng)弱以及石墨烯受到的應(yīng)力大小。

       目前由Montana Instruments公司與Princeton Instruments聯(lián)合開發(fā)的超精細(xì)變溫顯微拉曼系統(tǒng)——microReveal RAMAN已經(jīng)正式銷售。該集成式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變溫拉曼的化測(cè)量，省去了自己搭建變溫拉曼的繁瑣過程。該系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)4K-350K（500K可選）大溫區(qū)范圍內(nèi)的拉曼光譜與成像、熒光光譜與成像、吸收光譜、電學(xué)測(cè)量和光電輸運(yùn)測(cè)量等多種功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yuan, G., Lin, D., Wang, Y. et al. Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films. Nature 577, 204–208 (2020)

■  金剛石NV色心研究

       金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers） 近年來在科研界被高度關(guān)注。NV色心*且穩(wěn)定的光學(xué)性使其擁有廣泛的應(yīng)用前景。在量子信息域，NV色心可以作為單光子源用于量子計(jì)算。NV色心作為具有量子敏感度的傳感設(shè)備，還可應(yīng)用于納米尺度磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度、壓力的探測(cè)。在生物學(xué)域，NV色心是的生物標(biāo)識(shí)物，具有光學(xué)性能穩(wěn)定，細(xì)胞毒性低的點(diǎn)。

       Montana Instruments開發(fā)的低溫恒溫器門針對(duì)NV色心域研究需要而進(jìn)行化，掃除了科研人員進(jìn)入NV色心研究域的障礙。以下是低溫(4K)NV色心研究的實(shí)驗(yàn)方案舉例。

1. 總體NV色心信號(hào)收集實(shí)驗(yàn)

       將磁性樣品覆蓋在表面具有較多的NV色心的塊體金剛石襯底上。這個(gè)NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來實(shí)現(xiàn)。通常采用532nm的激光激發(fā)NV色心到激發(fā)態(tài)，并在630-800nm波長(zhǎng)范圍收集熒光信號(hào)。同時(shí)用微波信號(hào)激發(fā)和探測(cè)NV色心的自旋態(tài)（ESR）。熒光信號(hào)由二維的CCD探測(cè)陣列收集成像并與樣品相對(duì)應(yīng)。與單個(gè)NV色心的研究不同，該實(shí)驗(yàn)方案采用大工作距離獲得大視野范圍的成像，從而實(shí)現(xiàn)大面積信號(hào)的采集。

CCD與顯微鏡成像

2. 單個(gè)NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

       納米金剛石的單個(gè)NV色心探測(cè)可以通過共聚焦顯微技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)裝置包括三維低溫納米位移臺(tái)，Z方向可以調(diào)整樣品到焦平面，XY可以對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描。Montana Instruments設(shè)計(jì)方案可以采用高數(shù)值孔徑物鏡對(duì)4K的樣品中的單個(gè)NV色心進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)的收集效率高、光斑直徑小，輕松聚焦單個(gè)NV色心。采用532nm激光激發(fā)，對(duì)630nm-800nm范圍的熒光信號(hào)進(jìn)行采集。采用可調(diào)的微波信號(hào)對(duì)NV色心的自旋態(tài)進(jìn)行激發(fā)，通過熒光信號(hào)的峰值位移來確定其自旋態(tài)。為了研究感興趣的區(qū)域，通常將金剛石粉末（20-30nm）均勻的撒在樣品表面，然后使用三維納米位移臺(tái)來掃描樣品并且對(duì)定NV色心進(jìn)行測(cè)量。并且可以通過單個(gè)NV色心實(shí)現(xiàn)在較大溫度范圍內(nèi)對(duì)樣品的性質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)。

                                                        掃描共聚焦顯微鏡

       Tokura課題組成功的運(yùn)用此技術(shù)研究了FeGe樣品中的磁渦旋結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)請(qǐng)參考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

3. 掃描探針量子探測(cè)器(例如，掃描磁力顯微鏡)

       我們將個(gè)NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端?？梢酝ㄟ^在針尖上“粘貼”納米金剛石，或采用納米壓印與O₂刻蝕技術(shù)將塊體金剛石加工成再用N-14注入來實(shí)現(xiàn)NV色心，現(xiàn)在甚至已經(jīng)有商業(yè)化的針尖。采用共聚焦顯微鏡將激發(fā)光聚焦在掃描探針的NV色心上。樣品可以通過低溫納米位移臺(tái)進(jìn)行掃描。這樣便實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品表面的納米精度大范圍成像測(cè)量。該技術(shù)理論上可以對(duì)多種與NV色心熒光相關(guān)的性進(jìn)行高精度顯微學(xué)測(cè)量。

                                                      掃描探針顯微鏡

Jayich課題組 (UCSB)運(yùn)用這技術(shù)在BaFe2(As0.7P0.3)2 超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度附近（30K）成功觀測(cè)到了vortices。這技術(shù)在研究材料低溫下的新奇性質(zhì)方面前景廣闊。更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

■  高性能低溫恒溫器在量子計(jì)算中的應(yīng)用

       Cryostation^®低溫恒溫器系統(tǒng)可為量子計(jì)算相關(guān)研究提供多種解決方案，豐富的可選配置與配件可以滿足各種實(shí)驗(yàn)的需求，諸如離子阱、超導(dǎo)環(huán)、NV色心的高數(shù)值孔徑熒光觀測(cè)等。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)需求Montana Instruments可以提供適合的配置方案。

量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)案例：RF離子阱

        配置方案：高數(shù)值孔徑熒光讀出、多光學(xué)通道用于激光制冷、RF+DC電學(xué)通道用于制造qiujin勢(shì)阱。

       作為該實(shí)驗(yàn)方案的核心，離子阱量子計(jì)算包括N個(gè)qiujin離子。離子可以被qiujin在泡（RF）阱或彭寧（磁場(chǎng)）阱中，每個(gè)qiujin離子具有兩個(gè)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)。這里我們簡(jiǎn)單討論泡阱的情況，實(shí)驗(yàn)上泡阱是通過在樣品上印制組具有殊幾何形狀的RF電產(chǎn)生限制電勢(shì)實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)好勢(shì)阱后我們通過激光燒蝕襯底產(chǎn)生個(gè)待qiujin的離子（常用137Yb+），采用多普勒或Sisyphus冷卻方案用激光將高度激發(fā)狀態(tài)的離子冷卻至量子態(tài)。后再將離子導(dǎo)入精心設(shè)計(jì)的勢(shì)阱中。

       待離子進(jìn)入勢(shì)阱中，將他們?cè)诳臻g上隔開幾微米的距離，每個(gè)離子代表個(gè)量子比。量子比通過庫倫相互作用影響量子比的集體震蕩來實(shí)現(xiàn)耦合。每個(gè)量子比都通過與庫倫勢(shì)的“平行”或“反平行”將自己的局部態(tài)編碼進(jìn)集體震動(dòng)。這樣每個(gè)在維鏈上的量子比都實(shí)現(xiàn)了與其他每個(gè)量子比的耦合。

       量子計(jì)算的通用“門”操作（CROT, SWAP以及內(nèi)部量子比態(tài)的任意翻轉(zhuǎn)）可以通過對(duì)量子比光激發(fā)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于137YB+離子鏈，波長(zhǎng)為355nm。激光源的穩(wěn)定性尤為重要，激發(fā)頻率與電子的共振頻率要匹配（10KHz或更好），以防止其他臨近態(tài)的激發(fā)。紫外激光由于具有合適的波長(zhǎng)與合適的頻率穩(wěn)定性常被用于半導(dǎo)體材料的維納加工，現(xiàn)在也成為量子計(jì)算的上佳選擇。

       量子比在經(jīng)過系列量子算法的門操作后的量子態(tài)可以被讀出。qiujin離子的量子態(tài)讀出是通過測(cè)量與量子態(tài)相關(guān)的熒光實(shí)現(xiàn)的。目前的研究通常用高數(shù)值孔徑的顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)10%左右的收集效率。未來的量子計(jì)算可能會(huì)通過集成光學(xué)微腔的方案來提高熒光光子的收集效率，預(yù)計(jì)可以大于50%。該集成技術(shù)也可以推動(dòng)可拓展與重構(gòu)的量子計(jì)算電路發(fā)展。

總的來說，設(shè)計(jì)和操縱個(gè)可靠的離子阱量子計(jì)算機(jī)需要1、穩(wěn)定的激光源與頻率控制。2、有效且控制良好的RF電勢(shì)來定位與控制qiujin離子。3、數(shù)字控制的空間分辨率很高的脈沖激光來制備、測(cè)量、操縱量子比。4、量子態(tài)的可靠探測(cè)與讀出。

Montana Instruments與科研人員共同設(shè)計(jì)的離子阱量子計(jì)算機(jī)

MI恒溫器與集成式單光子探測(cè)器有望提高離子阱的量子態(tài)讀出

參考文獻(xiàn)：

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■  高性能低溫恒溫器在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用

       科研中MOKE常用來表征材料的電子和磁學(xué)征，例如磁疇結(jié)構(gòu)、自旋態(tài)密度、磁相變動(dòng)力學(xué)。在高質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)和2D材料中新的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展表明，有望在集成的光子或自旋電子器件中用磁光效應(yīng)在納米尺度上加強(qiáng)對(duì)光的控制。

       MOKE實(shí)驗(yàn)需要靈活的光路與電學(xué)通道以及磁場(chǎng)環(huán)境。樣品需要個(gè)超穩(wěn)定的低溫環(huán)境并且能夠調(diào)整配置以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)需求的多種幾何光路。Cryostation基礎(chǔ)系統(tǒng)與成熟的選件庫可為MOKE提供多種解決方案。通過不同的搭配組合我們可以輕松實(shí)現(xiàn)磁光克爾效應(yīng)、光磁測(cè)量、光致發(fā)光、偏振分辨測(cè)量、自旋輸運(yùn)與動(dòng)力學(xué)、磁疇壁移動(dòng)、磁阻研究、電學(xué)和高頻測(cè)量、輸運(yùn)性質(zhì)等方面的研究。以下是部分低溫磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)舉例：

1. 縱向磁光克爾效應(yīng)

       在縱向MOKE的幾何光路中，磁場(chǎng)與樣品表面平行，樣品中的磁疇平行于磁場(chǎng)方向。激光光源通過偏振器實(shí)現(xiàn)設(shè)定的偏振。光線通過物鏡聚焦在樣品感興趣的區(qū)域上。入射光線與樣品的磁疇發(fā)生相互作用使得反射光線偏振方向改變。偏振方向改變的幅度與局部磁化的強(qiáng)度成比例。通過儀器接收并分析反射光線的克爾轉(zhuǎn)角就可以得到局部磁矩的方向和強(qiáng)度信息。這種測(cè)量方案所需的樣品環(huán)境可以在集成了雙性電磁鐵的低溫恒溫器中來實(shí)現(xiàn)，例如Cryostation與Magneto-Optic。

        用縱向克爾效應(yīng)的宏觀磁疇圖像測(cè)量方案

2. 向磁光克爾效應(yīng)

       在向克爾幾何光路中，磁場(chǎng)沿樣品表面的發(fā)現(xiàn)方向（適用于面外易磁化軸樣品）。此時(shí)磁化方向垂直于樣品表面，為了大化的收集信號(hào)，入射激光需要垂直照射在樣品表面。與縱向克爾類似，入射激光的偏振方向在被磁性樣品表面反射時(shí)會(huì)發(fā)生輕微的偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的程度與局部磁疇的強(qiáng)度和方向有關(guān)。在Cryostation與Magneto-Optic裝置中，與縱向克爾相比，樣品旋轉(zhuǎn)了90°，并且在磁中間引入了個(gè)小的反射鏡來實(shí)現(xiàn)入射光線與磁場(chǎng)的平行以及與樣品表面的垂直。

向MOKE宏觀磁疇測(cè)量方案

3. 時(shí)間分辨MOKE

       可以用時(shí)間分辨（瞬態(tài)）的MOKE對(duì)脈沖磁場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁疇壁移動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。舉例來說，可以對(duì)用于磁帶存儲(chǔ)器研究的磁性納米線中的磁疇壁移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。磁疇壁通常在預(yù)定的位置有電脈沖或磁脈沖注入納米線。用MOKE信號(hào)對(duì)納米線的局部進(jìn)行探測(cè)，空間分辨率可于1um，時(shí)間分辨率可達(dá)到150fs。如果t=0時(shí)刻對(duì)應(yīng)于疇壁注入，對(duì)區(qū)域沿納米線進(jìn)行延時(shí)脈沖掃描觀察MOKE信號(hào)的變化。MOKE信號(hào)的變化對(duì)應(yīng)磁疇壁移動(dòng)所引起的磁性翻轉(zhuǎn)。通過測(cè)量納米線不同位置MOKE信號(hào)的變化時(shí)間可以計(jì)算出疇壁的移動(dòng)速度。

       時(shí)間分辨MOKE也可以用于研究自旋“群體”的壽命。用化的泵浦光對(duì)感興趣的材料進(jìn)行自旋激發(fā)。用探測(cè)光進(jìn)行延時(shí)掃描，MOKE信號(hào)的強(qiáng)弱可以計(jì)算自旋“群體”密度。自旋的“壽命”可以通過觀測(cè)自旋“群體”的密度來計(jì)算。Kawakami課題組（Ohio State University）用該方法對(duì)過渡族金屬二硫化物WS2在低溫（<6K）下進(jìn)行了時(shí)間分辨克爾轉(zhuǎn)角測(cè)量（TRKR）。對(duì)比TRKR信號(hào)與顯微熒光，研究者發(fā)現(xiàn)強(qiáng)激子發(fā)光與高自旋密度之間的種意料之外的反相關(guān)關(guān)系。這發(fā)現(xiàn)為短時(shí)激子自旋角動(dòng)量到長(zhǎng)時(shí)導(dǎo)電電子自旋態(tài)轉(zhuǎn)化提供了新的見解。

時(shí)間分辨克爾效應(yīng)的原理與裝置圖

4. 強(qiáng)磁場(chǎng)（>1T）MOKE

       華盛頓大學(xué)的Xu和Cobden 用7T的超導(dǎo)磁體與低溫設(shè)備，采用法拉第幾何光路測(cè)量磁場(chǎng)對(duì)光致發(fā)光化的影響對(duì)單層WSe2進(jìn)行了研究。更多信息請(qǐng)閱讀：Magnetic Control of Valley Pseudospin: A Story of Symmetry.

參考文獻(xiàn)：

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[3] Aivazian, G. et al. Magnetic Control of Valley Pseudospin in Monolayer WSe2. Nature Physics 11, 148–152 (2015).

[4] Henn, T. et al. Ultrafast supercontinuum fiber-laser based pump-probe scanning MOKE microscope for the investigation of electron spin dynamics in semiconductors at cryogenic temperatures with picosecond time and micrometer spatial resolution. Review of Scientific Instruments 84, 123903 (2013).

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