Nat. Comm.：强磁场低温光学平台助力磁性拓扑绝缘体多层异质结研究取得新突破
发布日期：2023-07-11
——量子化输运手性界面通道的建立
在两个具有不同陈数的量子反常霍尔（QAH）绝缘体的边界处可以产生一维手性界面通道，这样的QAH异质结可以在零磁场下用作手性边缘电流分配器，这些通道可以对边界电流无耗散传输，但是要真正实现这个目标仍然面临诸多挑战。鉴于此，来自宾夕法尼亚州立大学物理系的常翠祖研究组与来自华盛顿大学的徐晓栋研究组通过采用原位机械掩模，使用分子束外延技术合成了QAH绝缘体一维异质结，并观察到在零磁场下磁畴壁处出现了量子化输运性质，证实了在零磁场下沿着磁畴壁出现两个平行传播的手性界面通道。对于陈数为1和2的异质结，通过定量化输运性质的测量表明，在界面处出现了单个手性界面通道。研究结果以“Creation of chiral interface channels for quantized transport in magnetic topological insulator multilayer heterostructures”为题发表在Nature Communication上。该工作为实现更高效、更稳定的电子传输和信息处理提供了新思路，为基于QAH绝缘体的电子和自旋电子器件以及拓扑手性网络的发展奠定了基础。
不同陈数异质结示意图，以及RMCD和电学输运测量结果
该项工作中在2.5开尔文的低温环境下对样品进行了高质量的微区RMCD测量，该测量是在超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool中实现的。OptiCool是Quantum Design公司为高质量的低温光学测量研发的超稳定强磁场低温系统。系统采用全干式设计，无需液氦，全自动软件控制可实现一键变温、一键变场，具有大磁场均匀区、超低振动、大数值孔径、温度稳定性高等诸多优点，已成为高精度低温光学测量的重要设备。目前全球已有数十套OptiCool系统工作在国内外的先进实验室中，并帮助用户取得了高质量的科研成果。
低温光学相关产品介绍
超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool
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。该平台拥有3.8英寸超大样品腔、8个光学窗口（7个侧面窗口、1个顶部超大窗口）以及高达±7T的磁场。高度集成式的设计让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。为满足不同条件下的低温强磁场研究，近期OptiCool又增加了诸多新选件，进一步丰富了OptiCool的功能，可以方便的应用于高压光谱和各种波长的光谱研究。
超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool
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
▪ 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
▪ 近工作距离选件：可选3 mm工作距离窗口，增透膜可选New
▪ ZnSe窗口可用于中红外研究New
▪ 气路选件：系统可以集成气路，便于使用气膜高压腔进行高压光学测量New
▪ 集成物镜：集成真空物镜、低温物镜、用户自定义物镜New
▪ 控制柜电隔离：为确保微弱信号样品的电学测量，避免信号微扰的可能性New
▪ 样品移动：可集成低温位移器New
▪ 光纤选件：系统可集成光纤通道New
▪ 底部窗口选件：可实现样品腔底部窗口，方面进行纵向的透射光学实验New
超精细多功能无液氦低温光学系统
Montana Instruments推出的新一代超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance，是基于新的模块化设计架构的新一代标准化产品。该系统采用特殊减振技术和温度稳定技术，在不牺牲任何便捷性的同时，为实验提供超高温度稳定性和超低振动环境。CryoAdvance系列产品具有多种型号、配置、选件与配件可选，能够满足每个研究人员的独特需求。
Montana超精细多功能无液氦低温光学系统
CryoAdvance技术特点：
▪ 自动控制：智能触摸屏系统，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。
▪ 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。
▪ 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。
▪ 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。
▪ 最低温度：3.2K
▪ 震动稳定性：<5 nm（峰-峰值）
▪ 降温时间： 300K-4.2K~2小时
▪ 样品腔空间：Φ53 mm ×100 mm
▪ 光学窗口：5个光学窗口，可选光纤引入
mk级低温光学系统-S Type Optical
德国kiutra公司生产的绝热去磁低温设备以全干式闭环制冷机为基础，通过绝热去磁制冷技术轻松获得低于1K的极低温。kiutra绝热去磁低温设备可以实现100 mK的单程冷却和300 mK的不间断持续制冷。mK级低温光学系统是为光学实验设计的紧凑型绝热去磁制冷系统，该系统在有限的体积下实现了<1K温度、自动控制、光学引入三方面的组合，适用于需要简单快速对样品进行操作的各种低温实验和应用。
S-type 光学型超稳定极低温系统
S Type Optical技术特点：
▪ 连续模式下的温度范围：300mK-300K
▪ 超低振动：＜100nm（峰峰值）
▪ 全干式制冷，无需液氦，无需He3气体
▪ 磁场选件：样品区域磁场3T
▪ 光学孔径：＞20 mm
【参考文献】
[1]. Zhao, YF., Zhang. et al. Creation of chiral interface channels for quantized transport in magnetic topological insulator multilayer heterostructures. Nat Commun 14, 770 (2023).
