低温、磁场集一身，光、电测量总相宜——两月两篇顶刊，超精准全开放强磁场低温光学研究平台再露锋芒
发布日期：2022-01-21
一、单层激子绝缘体的证据（Nature Physics）
众所周知拓扑性和关联性之间的相互作用可以产生各种各样的量子相，其中许多原理仍有待探索。近的进展表明，单分子层WTe2在不同量子相之间具有高度的可调性，这一特点表明WTe2是一种很有前途的材料。这种二维晶体的基态可以通过静电调谐从量子自旋霍尔绝缘态转化为超导态。然而，关于量子自旋霍尔绝缘态的带隙打开机制仍不明确。
近日，美国普林斯顿大学Ali Yazdani和 Sanfeng Wu（共同通讯作者）等报道了量子自旋霍尔绝缘体也是激子绝缘体的证据，它是由电子空穴束缚态(即激子)的自发形成引起的。文章于2021年12月发表于Nature Physics。
原文图2，单层WTe2中电荷中性的绝缘状态相关测量
文章中作者通过巧妙的实验设计，结合电输运测量和隧穿谱测量，揭示了在样品电荷中性点存在一种本征绝缘状态，并证实了这种电荷中性绝缘态的相关性质。作者提供的证据证明样品不是能带绝缘体或局域绝缘体，并支持了在激子绝缘体相的存在。这些观测结果为理解具有非平凡拓扑的相关绝缘体奠定了基础，并确定了单层WTe2是基态激子量子相材料，为以后的应用提供了广阔的前景。
原文图4，隧穿光谱揭示的关联特征和金属-绝缘体跃迁
在本工作中作者使用Quantum Design生产的完全无液氦综合物性测量系统PPMS DynaCool 和超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool进行了电运输和vdW隧穿的相关测量。OptiCool在2018年面世以来作为新型的强磁场低温光学研究平台受到了很多好评，并获得了当年的R&D100大奖。OptiCool的多种电学通道非常方便用户进行电学测量和栅压调控实验。
OptiCool样品台直流通道（左）与腔体直流接口（右）
OptiCool样品台交流通道（左）与腔体交流接口（右）
二、扭曲二维材料磁性体系中的磁畴和莫尔磁性的直接可视化（Science）
扭曲非磁性二维材料形成的莫尔超晶格是研究奇异相关态和拓扑态的高度可调控系统。近些年来在旋转石墨烯等多种二维材料中都观察到了很多奇异的性质。在该工作中，来自华盛顿大学的徐晓栋教授课题组报道了在小角度扭曲的二维CrI3中出现的磁性纹理。
原文图1，层堆叠依赖的磁性和扭曲双层CrI3的磁光测量
作者利用基于NV色心的量子磁强计直接可视化测量了纳米尺度的磁畴和周期图案，这是莫尔磁性的典型特征。该篇文章中利用MOKE和RMCD对样品的磁性进行了精细的测量。研究表明，在扭曲的双分子层CrI3中反铁磁(AFM)和铁磁(FM)域共存，具有类似无序的空间模式。在扭曲三层CrI3中具有周期性图案的AFM和FM畴，这与计算得到的CrI3 莫尔超晶格中层间交换相互作用产生的空间磁结构相一致。该工作的研究结果表明莫尔磁性超晶格可以作为探索纳米磁性的研究平台。
原文图3，双三层扭曲CrI3的磁光和NV磁强计扫描测量图
该研究工作中对扭曲CrI3的MOKE和RMCD测量中使用了基于OptiCool系统的低温磁光测量系统。OptiCool具有多个窗口，超低震动，1.7K-350K超大控温区间等诸多优点可以满足各种高精度的低温强磁场光学测量。为了进一步满足用户的大数值孔径测量需求，OptiCool先后开发出了近工作距离窗口和集成物镜方案，可以满足各种用户的需求。
OptiCool近工作距离窗口（左）与外部物镜（右）安装示意图
内部集成室温物镜（左）与集成低温物镜（右）定制化方案示意图
三、OptiCool设备简介
OptiCool是Quantum Design于2018年2月新推出的超精准全开放强磁场低温光学研究平台，创新独特的设计方案确保样品可以处于光路的关键位置。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达±7T的磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔，高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。
OptiCool是全干式系统，启动和运行只需少量氦气。全自动软件控制实现一键变温、一键变场、顶部窗口90°光路张角让测量更便捷；控温技术让控温更智能；新型磁体结合了超大均匀区与超大数值孔径。OptiCool让低温光学实验无限可能。
OptiCool技术特点：
☛ 全干式系统：完全无液氦系统，脉管制冷机。
☛ 8个光学窗口：7个侧面窗口，1个顶部窗口；可升级底部窗口
☛ 超大磁场：±7T
☛ 超低震动：<10 nm 峰-峰值
☛ 超大空间：Φ89 mm×84 mm
☛ 精准控温：1.7K~350K全温区精准控温
☛ 新型磁体：同时满足超大磁场均匀区、大数值孔径的要求。
☛ 近工作距离：可选3 mm工作距离窗口或集成镜头方案
【参考文献】
1、Jia et al., Nat. Phys (2021) https://doi.org/10.1038/s41567-021-01422-w
2、Song et al., Science 374, 1140–1144 (2021) 26 November 2021
