低溫強磁場拉曼顯微鏡cryoRaman是由國際著名低溫顯微鏡領域制造商attocube systems AG公司與拉曼顯微成像創新公司WITec GmbH聯合研發推出的。該低溫拉曼成像系統集成了attocube公司出色的低溫恒溫器和納米定位器技術，以及WITec公司系列顯微鏡的高靈敏度和模塊化設計，實現了極低溫拉曼成像在強磁場中的高效應用，并且將拉曼成像的空間分辨率帶到極限，非常適合在低溫強磁場等極丶端環境下進行多種新物理特性的研究。設備推出至今，已幫助全球多個課題組取得了突出科研成果。
圖1. 低溫強磁場拉曼顯微鏡cryoRaman設備圖。設備集成attoDRY2100低溫強磁場系統與拉曼顯微鏡。
超發射范德華異質結構
范德華異質結構（vdWh）具有各種技術上有用的光電子特征，其中，異質結由多層六方氮化硼（hBN）夾在過渡金屬二硫族化物（TMD）的單層之間組成。Martin Kalbac（捷克科學院，捷克共和國）課題組通過低溫強磁場拉曼顯微鏡cryoRaman測量光致發光，證明在溫度低于15K時，對聲子數量有強烈的抑制。隨后，激子以vdWh的從頭到尾的方式自組裝成有序陣列，集體振蕩并相干輻射，即使在極低的泵浦強度下也是如此。因此，超發射vdWh是研究多體相關性的很好的體系。
圖2：cryoRaman觀測異質結中的熒光光譜成像數據。溫度4K，532 nm激光激發，760 nm附近尖銳峰值的積分強度的空間分布。
參考文獻【1】：Golam Haider et.al, Superradiant Emission from Coherent Excitons in van Der Waals Heterostructures, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102196。
稀土鈣鈦礦的磁模式：磁場相關的非彈性光散射研究
本質上惰性的稀土鈣鈦礦，如LaAlO3，可以通過引入某些陽離子或空位而轉變為光學和磁活性材料。Venkatesan教授（新加坡國立大學）和 于霆教授（新加坡南洋理工大學）等人通過低溫強磁場拉曼顯微鏡cryoRaman和 attoLIQUID1000 低溫恒溫器對幾種不含磁性雜質的稀土鈣鈦礦進行了低溫磁拉曼研究。測量結果揭示了帶隙中存在具有磁自由度的缺陷態，表明適當的缺陷工程如何誘導軌道磁化，從而使稀土鈣鈦礦可用于新型磁性和磁光應用。
圖3. cryoRaman觀測LaAlO3晶體，在溫度5 K時，不同拉曼峰隨著磁場強度變化數據圖。
參考文獻【2】：W. M. Lü et.al, Long-range magnetic coupling across a polar insulating layer, Nature Communications 7 : 11015 (2016)。
微觀復雜性的宏觀表現
對于處于熱力學極限的多體系統，微觀層面高度復雜的相演化通常不會影響宏觀相演化。因此，宏觀物理量的測量不會產生重大的不確定性。然而，對于足夠小的低于熱力學極限的系統，微觀層面的復雜行為可能在宏觀上表現為突現行為。日本東京大學和日本 RIKEN新興物質科學中心的Fumitaka Kakawa 和 Yoshinori Tokura 團隊通過低溫強磁場拉曼顯微鏡cryoRaman的空間成像，研究了過渡金屬二硫屬化物 IrTe2 薄片相演化復雜性。此類研究與實際應用密切相關，因為當今的樣品制造技術允許對固態納米器件中的材料進行相控制。
圖4：cryoRaman觀測金屬二硫屬化物 IrTe2 薄片，拉曼掃描成像數據圖。
參考文獻【3】：H. Oike et.al, Real-Space Observation of Emergent Complexity of Phase Evolution in Micrometer-Sized IrTe2 Crystals, Phys. Rev. Lett. 127, 145701 2021。
用于探測石墨烯局部材料特性的磁拉曼顯微鏡
共焦拉曼顯微鏡與4 K 磁場的結合為研究和調整石墨烯和少層石墨烯中的電子-聲子相互作用提供了機會。特別是，當朗道能級之間的能量匹配時，朗道能級之間的激發可以與拉曼有源長波光學聲子（G-聲子）共振耦合，從而產生磁聲子共振（MPR）。如圖5所示，在±3.7 T的磁場下出現了這種共振，并用箭頭進行突出標記。耦合的細節取決于所研究的石墨烯層的各種材料特性。從MPR實驗結果中，可以提取電子-聲子耦合常數或載流子費米速度等器件參數。有趣的是，對于低載流子摻雜，費米速度顯示了多體相互作用效應的特征。
圖5：cryoRaman觀測石墨烯與hBN材料，拉曼峰位會隨著磁場變化而有變動。
參考文獻【4】：C. Neumann et.al, Raman spectroscopy as probe of nanometre-scale strain variations in graphene, Nature Communications 6: 8429 (2015) 。
cryoRAMAN主要技術特點：
? 應用范圍廣泛: 量子光學，PL/EL/ Raman等光譜測量
? 以較高分辨率和速度進行光譜成像
? 每個像素點自動獲取拉曼光譜，低波數與偏振測量
? 空間分辨率：優于 1 μm
? 無液氦閉環恒溫器，變溫范圍：1.8K - 300K
? 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)
? 低溫消色差物鏡NA=0.82
? 精細定位范圍： 5mm X 5mm X 4.8mm @ 4K
? 精細掃描范圍：30 μm X 30 μm @4K
? 可進行電學測量，配備標準chip carrier
? 可升級到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、close loop scanning等功能
cryoRAMAN精彩數據展示：
圖6. 溫度2K下，不同強度磁場下，偏振拉曼光譜測量
圖7. 變溫熒光光譜測量
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