低温强磁场MOKE就选OptiCool！超精准全开放强磁场低温光学研究平台的MOKE应用
发布日期：2022-02-21
一、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。有鉴于此，来自华盛顿大学的许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。该篇文章中研究者利用MOKE和RMCD（反射磁圆二色性）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。本文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测量中使用了基于超精准全开放强磁场低温光学研究平台OptiCool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这种高精度的低温强磁场光学测量。
二、铁磁绝缘体GdTiO3中相干声子模的磁弹性耦合（PHYSICAL REVIEW B）
2020年8月，美国加州大学圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt课题组在量子材料调控方面取得了重要进展。该研究工作利用超精准全开放强磁场低温光学研究平台 Opticool所搭建的测量系统，通过低温磁场环境下的超快泵浦测量详细研究了GdTiO3钙钛矿材料在光激发下自旋与晶格相互作用以及磁性变化在不同时间尺度上的各种演化机制。这对于可应用于量子信息领域的钙钛矿类量子材料实现超快的量子调控十分重要。相关研究成果以 “Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3” 为题，刊登在PHYSICAL REVIEW B上。
GdTiO3材料不同温度下的反射率泵浦测量，(a)反射率随时间的变化；(b)峰值反射率随温度变化；(c) 反射率在不同时间段的演变机制
不同温度、不同磁场下时间分辨MOKE测量观察到的GdTiO3材料磁性的演变
GdTiO3在钙钛矿材料相图中处于铁磁-反铁磁的边缘区域，在基态时Gd磁晶格与Ti磁晶格成反铁磁耦合排列，材料表现出亚铁磁性，同时材料还是莫特-哈伯德绝缘体和轨道有序态。该研究工作在不同温度和不同磁场环境下对GdTiO3材料进行了时间分辨的反射率和磁光克尔测量。材料的反射率和科尔转角在飞秒、皮秒时间尺度上表现出了多种演化机制。针对在皮秒量级上的自旋-晶格相互作用机制，通过采用660 nm对应于Ti 3d-3d 轨道Mott-Hubbard带隙的光激发，对所得MOKE信号的分析可以得出，光激发首先扰乱了Ti离子磁晶格的排布，减弱了与Gd磁晶格的抵消作用，使得材料的净磁矩增加。进而光激发所产生的热效应逐渐影响Gd磁晶格的稳定性使得材料的净磁矩减少。另外，实验观察到MOKE和反射率测量在皮秒尺度上都有相干振荡，且随着时间发生明显的红移。该振荡对应于光激发在材料中产生的应力波（相干声子）。通过分析，该应力波与材料的磁性也有密切的对应关系，表明通过声子与磁性的耦合来直接调控磁性也具有很大的可行性。
时间分辨MOKE测量系统图片和光路示意图
三、为什么OptiCool是更适合做强磁场光学测量的设备？
OptiCool是Quantum Design于2018年2月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核心位置。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传统低温系统对光路的各种束缚，真正实现自由光路的低温强磁场实验。
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让低温光学实验具有无限可能。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
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：<10nm 峰-峰值
☛ 超大空间：Φ89mm×84mm
☛ 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3mm工作距离窗口或集成镜头方案（new！）
☛ 底部窗口升级：系统可升级底部窗口，满足竖直方向的透射实验（new！）。
☛ 多种接口：直流通道、射频通道、光纤通道、气体通道（new！）。
【参考文献】
1、Song et al., Science 374, 1140–1144 (2021) 26 November 2021
2、D.J.Lovinger et al., PHYSICAL REVIEW B 102,085138(2020).
