揭秘低维量子材料研究利器：无液氦低温强磁场CFM/AFM/Raman显微镜

发布日期：2023-07-27

单个二维层之间的弱范德华（vdW）相互作用为探索二维准粒子行为提供了一个特有的平台。特别是通过堆叠具有精确角度取向的两个单层，可以创建莫尔系统。高磁场中激子/库伯对/极化激元等准粒子的磁相互作用揭示了隐藏的物理机制，加速了磁电、光电子和量子光子器件的进一步应用发展。

这些物理机制的研究通常需要进行低温量子通信测试及磁光光谱测试等。德国attocube公司研发的低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY系统可有效结合矢量磁体、低温物镜（LT-APO）和attoAFM I，且具有无液氦、超低振动、超高温度稳定性等优异的性能，已成为低温低维材料研究的有力工具。

量子通信的平坦地带

单光子是应用于光子量子信息的重要资源。迄今为止探索的许多量子发射器平台中，新兴的二维材料系统有可能成为工程量子光源的低成本和可扩展平台。

近期，Tobias Heindel小组（德国柏林理工大学）与Christian Schneider小组（德国卡尔·冯·奥西茨基大学）合作发表了一项研究，该研究对基于WSe₂单层的单光子源在量子安全通信中的部署进行了基准测试。在他们的量子密钥分布实验中，全自动操控的attoDRY800桌面式光学低温恒温系统为原子层薄的量子光源低温操作提供了一个可靠的平台。研究发现二维材料适用于量子密钥分发，其性能很容易与其他材料平台竞争^[1]。

图1 ：WSe₂单光子源与以前的量子密钥分布实验结果对比。黑色曲线（实线）显示基于WSe₂的源通过时间滤波进行优化的情况下的预期性能。

范德瓦尔材料的多铁性

多铁性材料中铁磁性和铁电有序的共存使这些材料有望成为下一代存储器件的候选材料。由多个中国课题组合作研究了范德华（vdW）多铁性CuCrP₂S₆材料，并在其中发现了具有相同易轴的平面内电各向异性和磁各向异性。中国人民大学的程志海教授课题组利用attoDRY2100全自动低震动无液氦磁体系统内部具有压电响应显微镜（PFM）的attoAFM I显微镜进行了PFM测量，表明平面外电偶极子来源于反铁电畴壁。研究发现可以通过电场、磁场和温度操纵CuCrP₂S₆中的磁振子^[2]，证明范德瓦尔多铁性材料在低功耗和高密度非易失性存储器中的应用潜力。

图2： 通过PFM在T=2K下获得的CuCrP₂S₆晶体块的相位-电压磁滞回线。

莫尔超晶格中的激子极化激元光学指纹  

二维莫尔材料为研究强相关电子态提供了一个高度可调谐的平台。这种涌现的多体现象可以在通过堆叠两层过渡金属二硫族化合物半导体产生的莫尔条纹系统中进行光学探测：光学注入的激子可以与占据窄莫尔能带的流动载流子相互作用，形成对强相关性敏感的激子极化激元。

Brian Gerardot（英国赫瑞-瓦特大学）的小组研究了由莫尔超晶格局域化的费米海修饰的激子的行为。使用attoDRY1000 - 低震动无液氦磁体系统进行变温磁光光谱测量，确定了在强相关电子态的情况下激子极化子的性质，并揭示了MoSe₂/WSe₂平台的丰富潜力，用于研究费米-哈伯德和玻色-哈伯德物理。

图3： MoSe₂/WSe₂二维莫尔材料中，5T外置磁场下的偏置电压调控光学信号的变化。

无液氦低温强磁场CFM/AFM/Raman显微镜主要技术特点：

☛ 闭路可循环系统，无需液氦

☛ 独特设计，超低震动（0.12 nm RMS）

☛ 温度范围：1.7K-300K

☛ 磁场强度：9T, 12T, 9/3T，9/1/1T矢量磁体

☛ 多功能测量平台：RAMAN/AFM/MFM/PFM/ct-AFM/CFM

☛ 超高温度稳定性：<10mK

☛ 顶部进样，温度与磁场全自动控制，触摸屏控制

☛ 应用范围：量子光学、二维材料光谱、拉曼/光致发光/光电流、磁畴成像

图4. 无液氦低温强磁场CFM/AFM/Raman显微镜

参考文献：

[1] Timm GAO et al., Atomically-thin single-photon sources for quantum communication. npj 2D Materials and Applications (2023) 4.

[2] Xiaolei Wang et al., Electrical and magnetic anisotropies in van der Waals multiferroic CuCrP₂S₆. Nature Communications ,(2023) 14:840.

[3] Brian D. Gerardot et al., Exciton-polarons in the presence of strongly correlated electronic states in a MoSe₂/WSe₂ moiré superlattice. npj 2D Materials and Applications (2022) 79.