OptiCool低溫光學(xué)應(yīng)用域：

· MOKE/低溫MOKE

· 低溫拉曼

· 低溫光致發(fā)光

· 紫外/紅外反射&吸收

· 低溫傅里葉紅外

· 低溫高壓

· NV色心、空位熒光

· 納米磁學(xué)

· 探測器

· 量子光學(xué)

· 自旋電子學(xué)

......

應(yīng)用案例

■  Nature Physics：單層激子緣體的證據(jù)

    眾·所周知拓?fù)湫院完P(guān)聯(lián)性之間的相互作用可以產(chǎn)生各種各樣的量子相，其中許多原理仍有待探索。近的進(jìn)展表明，單分子層WTe2在不同量子相之間具有高度的可調(diào)性，這點(diǎn)表明WTe2是種很有前途的材料。這種二維晶體的基態(tài)可以通過靜電調(diào)諧從量子自旋霍爾緣態(tài)轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)態(tài)。然而，關(guān)于量子自旋霍爾緣態(tài)的帶隙打開機(jī)制仍不明確。

    近日，美國普林斯頓大學(xué)Ali Yazdani和 Sanfeng Wu（共同通訊作者）等報(bào)道了量子自旋霍爾緣體也是激子緣體的證據(jù)，它是由電子空穴束縛態(tài)(即激子)的自發(fā)形成引起的。文章于2021年12月發(fā)表于Nature Physics。

    在本工作中作者使用Quantum Design生產(chǎn)的*無液氦綜合物性測量系統(tǒng)PPMS DynaCool 和超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺-OptiCool進(jìn)行了電運(yùn)輸和vdW隧穿的相關(guān)測量。OptiCool在2018年面世以來作為新型的強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺受到了很多好評，并獲得了當(dāng)年的R&D100大獎(jiǎng)。OptiCool的多種電學(xué)通道非常方便用戶進(jìn)行電學(xué)測量和柵壓調(diào)控實(shí)驗(yàn)。

    參考文獻(xiàn)：Jia et al., Nat. Phys (2021)  https://doi.org/10.1038/s41567-021-01422-w

■  Science：扭曲二維材料磁性體系中的磁疇和莫爾磁性的直接可視化

    扭曲非磁性二維材料形成的莫爾超晶格是研究奇異相關(guān)態(tài)和拓?fù)鋺B(tài)的高度可調(diào)控系統(tǒng)。近些年來在旋轉(zhuǎn)石墨烯等多種二維材料中都觀察到了很多奇異的性質(zhì)。在該工作中，來自華盛頓大學(xué)的許曉棟教授課題組報(bào)道了在小角度扭曲的二維CrI3中出現(xiàn)的磁性紋理。

    作者用基于NV色心的量子磁強(qiáng)計(jì)直接可視化測量了納米尺度的磁疇和周期圖案，這是莫爾磁性的典型征。該篇文章中用MOKE和RMCD對樣品的磁性進(jìn)行了精細(xì)的測量。研究表明，在扭曲的雙分子層CrI3中反鐵磁(AFM)和鐵磁(FM)域共存，具有類似無序的空間模式。在扭曲三層CrI3中具有周期性圖案的AFM和FM疇，這與計(jì)算得到的CrI3 莫爾超晶格中層間交換相互作用產(chǎn)生的空間磁結(jié)構(gòu)相致。該工作的研究結(jié)果表明莫爾磁性超晶格可以作為探索納米磁性的·佳研究平臺。工作中對扭曲CrI3的MOKE和RMCD測量中使用了基于OptiCool系統(tǒng)的低溫磁光測量系統(tǒng)。

    參考文獻(xiàn)：Song et al., Science 374, 1140–1144 (2021) 26 November 2021

■  低溫光學(xué)研究平臺在量子材料調(diào)控方面的應(yīng)用

    2020年8月，美國加州大學(xué)圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt課題組在量子材料調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展。該研究工作用超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺所搭建的測量系統(tǒng)，通過低溫磁場環(huán)境下的超快泵浦測量詳細(xì)研究了GdTiO3鈣鈦礦材料在光激發(fā)下自旋與晶格相互作用以及磁性變化在不同時(shí)間尺度上的各種演化機(jī)制。這對于可應(yīng)用于量子信息域的鈣鈦礦類量子材料實(shí)現(xiàn)超快的量子調(diào)控十分重要。相關(guān)研究成果以“鐵磁緣體GdTiO3中相干聲子模的磁彈性耦合（Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3）"為題，刊登在PHYSICAL REVIEW B上。

圖1. 測量設(shè)備與光路示意圖（圖片來源于R. D. Averitt教授關(guān)于本工作的公開報(bào)告）

    GdTiO3在鈣鈦礦材料相圖中處于鐵磁-反鐵磁的邊緣區(qū)域，在基態(tài)時(shí)Gd磁晶格與Ti磁晶格成反鐵磁耦合排列，材料表現(xiàn)出亞鐵磁性，同時(shí)材料還是莫-哈伯德緣體和軌道有序態(tài)。該研究工作在不同溫度和不同磁場環(huán)境下對GdTiO3材料進(jìn)行了時(shí)間分辨的反射率和磁光克爾測量。材料的反射率和克爾轉(zhuǎn)角在飛秒、皮秒時(shí)間尺度上表現(xiàn)出了多種演化機(jī)制。針對在皮秒量上的自旋-晶格相互作用機(jī)制，通過采用660 nm對應(yīng)于Ti 3d-3d 軌道Mott-Hubbard帶隙的光激發(fā)，對所得MOKE信號的分析可以得出，光激發(fā)擾亂了Ti離子磁晶格的排布，減弱了與Gd磁晶格的反鐵磁耦合，使得材料的凈磁矩增加。進(jìn)而光激發(fā)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸影響Gd磁晶格的穩(wěn)定性使得材料的凈磁矩減少。另外，實(shí)驗(yàn)觀察到MOKE和反射率測量在皮秒尺度上都有相干振蕩，且隨著時(shí)間發(fā)生明顯的紅移。該振蕩對應(yīng)于光激發(fā)在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力波（相干聲子）。通過分析得出，該應(yīng)力波與材料的磁性也有密切的對應(yīng)關(guān)系，表明通過聲子與磁性的耦合來直接調(diào)控磁性也具有很大的可行性。

圖3. 不同溫度、不同磁場下時(shí)間分辨MOKE測量觀察到的GdTiO3材料磁性的演變

    該研究通過在變溫變磁場條件下的時(shí)間分辨測量，清楚的觀測到了GdTiO3在微觀時(shí)間尺度上的磁性變化，通過分析詳細(xì)解釋了磁性演化的內(nèi)在機(jī)制。這對于鈣鈦礦類量子材料的應(yīng)用具有十分重大的意義。

■  低溫光學(xué)研究平臺在自旋化測量方面的應(yīng)用

    美國西北大學(xué)Nathaniel P. Stern課題組用OptiCool平臺搭建了用于自旋化時(shí)間分辨測量的泵浦測量系統(tǒng)并取得了系列重要的數(shù)據(jù)，相關(guān)的研究成果正在發(fā)表過程中。以下數(shù)據(jù)來源于該課題組Jovan Nelson博士的公開報(bào)告。

圖1. InSe在10K，6T環(huán)境下自旋進(jìn)動(dòng)化隨時(shí)間的變化

圖2. InSe薄膜30K溫度下自旋化隨時(shí)間的變化

■  低溫光學(xué)研究平臺在超快光學(xué)方面的應(yīng)用

    目前國內(nèi)已經(jīng)安裝的·臺設(shè)備已在清華大學(xué)投入使用，該設(shè)備將用于超快泵浦測量方向。我們將定期更新科研進(jìn)展。

    OptiCool以其良的開放性能夠滿足多種低溫強(qiáng)磁場光學(xué)測量的需求。打破了傳統(tǒng)低溫磁體的束縛，成為里程碑式的強(qiáng)磁場光學(xué)平臺。該設(shè)備已經(jīng)推出便獲得了廣泛好評。目前用戶主要的應(yīng)用方向是磁光測量和超快測量方向。

測試數(shù)據(jù)

1、時(shí)間分辨MOKE測量數(shù)據(jù)舉例（D. J. LOVINGER, Phys. Rev. B 102, 085138 (2020)）

圖1，測量設(shè)備與光路示意圖（圖片來源于R. D. Averitt教授的公開報(bào)告）

圖2，GdTiO3材料不同溫度下的反射率泵浦測量，(a)反射率隨時(shí)間的變化；(b)峰值反射率隨溫度變化；(c) 反射率在不同時(shí)間段的演變機(jī)制

圖3，GdTiO3材料光激發(fā)后的磁矩演化，(a)光激發(fā)后磁矩演化的原理示意圖；(b) 時(shí)間分辨MOKE測量觀察到的相干振蕩

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