许晓栋再发Nature正刊！无液氦磁体恒温器助力复合费米液体MoTe2研究取得重要进展

文章名称：Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid

期刊：Nature

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08134-0

研究动态

在凝聚态物理研究领域，半充满的最低朗道能级为探究相互作用拓扑相提供了一个特殊视角。其中，复合费米液体作为由费米子在强磁性环境中形成的特殊物质态，一直是研究热点。近年来，在魔角MoTe₂双层（tMoTe₂）这种新型分数Chern绝缘体中，理论预测存在零场复合费米液体，其表现出的分数量子反常霍尔效应引发学术界广泛关注。尽管在ν=−1/2时的输运测量呈现出与零场复合费米液体一致的特征，但进一步深入探究该状态和基本激发态仍面临诸多挑战。

美华盛顿大学的Xiaodong XU教授团队在这一研究方向取得重大进展，相关成果以《Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid》为题，发表于国际SCI期刊《Nature》上。在该研究中，团队借助德国attocube公司研发的低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100，利用tMoTe₂特殊的谷性质，成功观测到零场复合费米液体中的光学响应特征，为该领域研究开辟新路径。

文中使用的低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100（图1）是一款干式闭循环低温强磁场恒温器。它凭借超卓特性，在本研究及众多前沿科研领域发挥着不可替代的作用。系统可提供1.8K到室温的变温环境，震动噪音极低。其采用全自动控温，通过触屏即可轻松控制温度与磁体。在磁场配置方面，可选择9T、12T以及矢量磁体，以满足不同实验的磁场需求。顶部进样的设计，可快速换样，有效提高了实验效率；目前，attoDry已在国内外众多课题组广泛应用于量子通信、量子点发光、半导体材料、二维材料等研究领域。针对典型实验需求，该产品设计了几种标准显微镜方案方便用户进行拉曼、荧光等常见的测量手段对材料进行光-电-磁物理性质的变温与变磁场环境测量。

图1. 低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100- 可以选配低温拉曼显微镜，低温AFM，低温双轴旋转台等配置。

进展概述

为研究三激子光致发光螺旋度，该课题组对同质双层MoTe₂器件进行了圆偏振光致发光测量（图2a）。零磁场发光的螺旋度可以通过翻转磁化方向指向来逆转，通过将磁场从负值扫到零的初始化来实现（图2c）。

图2：三激子光致发光的自发圆偏振。2a: 铁磁金属相中的莫尔超晶格和三激子光致发光测量示意图。2b，2c(磁化强度µ₀H从负值扫到零): 填充因子ν=−0.78，圆偏振分辨的三激子光致发光，tMoTe₂处于铁磁性金属相。2d: 圆偏振度(ρ)随着µ₀H的变化，表明自发的圆极化是由铁磁性引起的。2e: 自旋谷极化费米液体的三激子探测示意图。

通过建立三激子偏振分辨光致发光作为自旋谷偏振费米液体的探测手段，课题组探索了它在零场Chern绝缘体态下的行为。图3a与3b为三激子光致发光强度与填充因子ν和光子能量的关系。提取圆偏振度ρ作为ν的函数（图3c），观察到大多数填充因子数值ν有近100%的圆偏振度，与自发自旋谷极化一致。圆偏振度ρ定义为（PL(σ− )− PL(σ+ )）/（PL(σ+ )+ PL(σ− )），其中PL(σ− )和PL(σ+ )表示左旋右旋圆偏振光的强度。关注到ν为−1和−2/3的时候，如图2d，e所示，光谱数据清楚地显示了两种被抑制的三激子光致发光。ρ在Chern绝缘体态下的下降可以通过其不可压缩性质和强相关效应来理解。

图3：在Chern绝缘态下对三激子光致发光螺旋性的抑制。3a，3b: 三激子光致发光强度与填充因子ν和光子能量的函数，检测左旋（σ−）与右旋（σ+）圆偏振通道。3c: 圆偏振度ρ作为填充因子的函数。在ν=−1、−2/3和−1/2附近的ρ中可见下降，以及与ν=−4/9的额外下降。插图为高分辨率测量的在ν=−2/3附近的ρ下降。3d，3e: 整数态（ν =−1）和分数态（ν =−2/3）Chern绝缘体态的圆偏振光致发光光谱。3f: 在ν=−1处的空穴分布示意图。3g：欠掺杂Chern绝缘体（即金属相）的铁磁分布示意图。

图4a，b分别显示了器件的反射磁圆二色性（RMCD）强度和圆偏振度ρ与D/ε0和ν的关系图。RMCD结果与之前的研究报道相匹配，证实了一个强大的铁磁相空间的存在。ρ和ν的温度依赖性（图4c，d）进一步支持了之前实验室结果的深入与理解。数据表明，ν为−2/3和−1/2时候的ρ首先随着温度的升高而增加，峰值接近1，然后随着磁序的开始消失而再次下降。这与ν=−为0.75时铁磁金属光致发光偏振的温度依赖性形成对比。

图4 铁磁性的相空间比较和三激子光致发光圆偏振度的温度依赖性。4a：RMCD信号与电场(D)和空穴填充(ν)的关系。4b: 三激子光致发光圆偏振度ρ与D和ν的关系图。两组数据都在温度为1.6 K时测量。4c: ρ和ν与温度的关系。4d: 特定v数值下ρ和温度的关系。

以上实验结果表明，三激子光致发光螺旋度可以作为tMoTe₂相图的敏感探测手段，可以区分自旋谷极化费米液体与Chern绝缘体和假定的零场复合费米液体相。它突出了系统中光学、磁性和拓扑性质之间的密切对应关系。此外，磁性和光学响应之间的强耦合表明，未来可以通过光学控制磁序。

attocube低震动无液氦磁体与恒温器

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 已经在北京大学，半导体所，清华大学，南京大学，复旦大学等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的的低温强磁场拉曼显微镜，该系统集成成熟拉曼显微镜，配置attocube特有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台，可以实现对常见二维材料，量子点，纳米线等微纳尺度材料的低温拉曼，荧光光谱，光电流等光电磁学性质测量。2024年3月，德国attocube公司推出了用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。该系统已经在英国，德国，中国等国家进行安装与运行，助力全球用户进行NV色心成像研究。

图5：常见配置-低温强磁场拉曼显微镜。

attoDRY2100主要技术特点：

☛ 超低振动、基于脉冲管的闭环低温恒温器，专为扫描探针显微镜应用而设计

☛ 磁场范围：0~9T ( 可选12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体等)

☛ 宽温度范围：1.8 K~300 K

☛ 通过 eNSPIRE 电子设备进行自动化控制，实时绘图，多功能接口

☛ 可选显微镜：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接触式与非接触式）, CFM

☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm³

☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

☛ 商业化探针

☛ 可集成升级 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

☛ 全新升级款：用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

图6：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 部分发表文献：

• Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics  20,  783–787 (2024)

• Kin Fai Mak, et al. Optical readout of the chemical potential of two-dimensional electrons. Nature Photonics 18,  344–349 (2024)

• Kin Fai Mak, et al. Valley-Coherent Quantum Anomalous Hall State in AB-Stacked MoTe₂/WSe₂ Bilayers. Phys. Rev. X 14, 011004 2024

• Kin Fai Mak, et al. Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice. Nature Physics 20, 275–280 (2024)

• Feng JIN, et al.π Phase Interlayer Shift and Stacking Fault in the Kagome Superconductor CsV₃Sb₅. Phys. Rev. Lett. 132, 066501, 2024

• Yang XU,  et al. Observation of Rydberg moiré excitons. Science 380, 1367–1372 (2023).

• Yu YE, et al. Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime. Nature Communications  14: 5966 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe₂, Nature 622, 63–68 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry, Science 381, 325–330 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect, Nature 622, 74-79 (2023)

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：