低溫強磁場

OptiCool技術點：

·  全干式系統：*無液氦系統，脈管制冷機。

·  8個光學窗口：

7個側面窗口 (NA > 0.11)

1個頂部窗口 (NA > 0.7)

·  超大磁場：±7T

·  超低震動：<10nm 水平 峰-峰值

             <4nm 豎直 峰-峰值

·  超大空間：Φ89mm×84mm

·  精準控溫：1.7K~350K全溫區精準控溫

·  新型磁體：雙錐型劈裂磁體，同時滿足超大磁場均勻區、大數值孔徑的要求。

    OptiCool樣品艙為用戶提供了自定義實驗裝置的工作臺。當您準備開始實驗時，樣品艙可以方便地放入預接線的控溫樣品臺。測量完成后，您可以很方便地用準備好的樣品艙更換，進行下個樣品的測量。OptiCool標配16根引線，并且已經由接口面板經過熱沉后引至樣品室，引線多可增加至80根。

OptiCool應用域：

· MOKE/低溫MOKE

· 低溫拉曼

· 低溫光致發光

· 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

· 探測器

· 量子光學

· 自旋電子學

......

應用案例

■  Nature Physics：單層激子緣體的證據

    眾·所周知拓撲性和關聯性之間的相互作用可以產生各種各樣的量子相，其中許多原理仍有待探索。近的進展表明，單分子層WTe2在不同量子相之間具有高度的可調性，這點表明WTe2是種很有前途的材料。這種二維晶體的基態可以通過靜電調諧從量子自旋霍爾緣態轉化為超導態。然而，關于量子自旋霍爾緣態的帶隙打開機制仍不明確。

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

    在本工作中作者使用Quantum Design生產的*無液氦綜合物性測量系統PPMS DynaCool 和超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool進行了電運輸和vdW隧穿的相關測量。OptiCool在2018年面世以來作為新型的強磁場低溫光學研究平臺受到了很多好評，并獲得了當年的R&D100大獎。OptiCool的多種電學通道非常方便用戶進行電學測量和柵壓調控實驗。

    參考文獻：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態和拓撲態的高度可調控系統。近些年來在旋轉石墨烯等多種二維材料中都觀察到了很多奇異的性質。在該工作中，來自華盛頓大學的許曉棟教授課題組報道了在小角度扭曲的二維CrI3中出現的磁性紋理。

    作者用基于NV色心的量子磁強計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對樣品的磁性進行了精細的測量。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，這與計算得到的CrI3 莫爾超晶格中層間交換相互作用產生的空間磁結構相致。該工作的研究結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系統的低溫磁光測量系統。

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

■  低溫強磁場研究平臺在量子材料調控方面的應用

    2020年8月，美國加州大學圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt課題組在量子材料調控方面取得了重要進展。該研究工作用超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺所搭建的測量系統，通過低溫磁場環境下的超快泵浦測量詳細研究了GdTiO3鈣鈦礦材料在光激發下自旋與晶格相互作用以及磁性變化在不同時間尺度上的各種演化機制。這對于可應用于量子信息域的鈣鈦礦類量子材料實現超快的量子調控十分重要。相關研究成果以“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. 測量設備與光路示意圖（圖片來源于R. D. Averitt教授關于本工作的公開報告）

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

圖3. 不同溫度、不同磁場下時間分辨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間分辨測量，清楚的觀測到了GdTiO3在微觀時間尺度上的磁性變化，通過分析詳細解釋了磁性演化的內在機制。這對于鈣鈦礦類量子材料的應用具有十分重大的意義。

■  研究平臺在自旋化測量方面的應用

    美國西北大學Nathaniel P. Stern課題組用OptiCool平臺搭建了用于自旋化時間分辨測量的泵浦測量系統并取得了系列重要的數據，相關的研究成果正在發表過程中。以下數據來源于該課題組Jovan Nelson博士的公開報告。

圖1. InSe在10K，6T環境下自旋進動化隨時間的變化

圖2. InSe薄膜30K溫度下自旋化隨時間的變化

■  研究平臺在超快光學方面的應用

    目前國內已經安裝的·臺設備已在清華大學投入使用，該設備將用于超快泵浦測量方向。我們將定期更新科研進展。

    OptiCool以其良的開放性能夠滿足多種光學測量的需求。打破了傳統低溫磁體的束縛，成為里程碑式的強磁場光學平臺。該設備已經推出便獲得了廣泛好評。目前用戶主要的應用方向是磁光測量和超快測量方向。

測試數據

1、時間分辨MOKE測量數據舉例（D. J. LOVINGER, Phys. Rev. B 102, 085138 (2020)）

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

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

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

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