慕尼黑大学量子光学新突破！桌面式光学低温恒温器助力低温开放式共振腔研究
发布日期：2024-12-13
文章名称：Open-Cavity in Closed-Cycle Cryostat as a Quantum Optics Platform
期刊：PRX Quantum
文章链接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.040318
开放式共振腔（open cavity）作为一种非常有效的工具，在增强固态量子和纳米系统光物质相互作用方面发挥着关键作用，是推动量子技术迈向广泛应用的重要手段。光学谐振器的引入可以使光子和固态发射体之间实现有效和精确的相互作用，有力促进了强光物质相互作用以及极化子物理的深入研究，同时为量子通信和计算提供了一个强大的界面。在光物质与固态系统相互作用的进展中，一个核心关键的挑战在于，如何在满足低温需求和抗振动的高机械稳定性的同时，保持足够的自由度以实现原位可调性。
慕尼黑大学由 Samarth Vadia 和 Alexander Högele 带领的课题组利用干式封闭循环桌面式光学低温恒温器（attocube attoDRY800）成功攻克了法布里-珀罗腔工程设计中的难题。该腔体不仅具备较大的可调性和高机械稳定性，还能通过减振组合在闭循环条件下的低温环境中运行。凭借这一全新的低温开放式共振腔平台，作者证明了二维半导体激子极化子的形成是强光-物质耦合的标志。研究结果充分表明了该平台是一种超具发展前景的实验硬件，有望为固态量子技术领域的持续进步提供强劲的动力。相关研究成果以《Open-Cavity in Closed-Cycle Cryostat as a Quantum Optics Platform》为题，发表于国际期刊《PRX Quantum》上。
图1：在闭式循环低温恒温器中的开放式共振腔。1a由凹面镜和单层WSe2构成的宏观镜组成共振腔。1b-c. 安装在隔震平台上的可调谐组件共振腔示意图。1d. 用于稳定性表征和强耦合操作的实验装置示意图。
 |  |
图2：在低温条件下的机械振动特性。6.5K时可调谐共振腔的振动位移。(a)无锁定和在100 kHz带宽下有锁定(b)时的振动位移。(c)10秒以上出现的腔长波动。(d)无锁定（方）和有锁定（圆）的位移平均值随着带宽的变化。
课题组创新性地提出基于光纤的开放法布里-珀罗腔在封闭循环低温恒温器中表现出超高的机械稳定性，并且能够在全部三个空间方向上实现广泛的可调性。实验中，作者展示了在6.5 K温度和积分带宽为100 kHz时，均方根腔长度波动小于90 pm）（如图1和图2）。此外，该课题组通过证明单层WSe2中激子极化子的强耦合形成来确定腔体性能的基准（如图3）。
图3 单层WSe2在封闭循环低温腔中的强耦合。(3a)耦合腔-单层系统的光子共振能量随压电调谐的变化。与激子能量为1.725eV（虚线）的共振时，观察到避免交叉现象，可作为强耦合的特征。(3b) 从(a)中的数据中提取的激子-极化激子峰的能量作与能量失谐的函数
课题组的研究结果表明，闭式循环低温恒温器中attoDRY800中的开放式共振腔是一个超具研究价值的研究光物质相互作用的实验平台。它可以容纳更复杂的材料，如具有独特非线性效应的范德华异质结构，基于单光子源的量子应用，稀土离子的新型量子位，以及量子网络中的光物质界面。
attoDRY800桌面式光学低温恒温器（见图4）为德国attocube公司设计研发的干式闭循环低温恒温器，系统冷头高度耦合到光学平台内，可提供4K到320K的变温环境。设备具有极低的震动噪音（Z方向噪音小于5 nm），为国内外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。基于attoDRY800系统，用户可以进行拉曼光谱、荧光光谱等实验。
图4. attoDRY800桌面式光学低温恒温器- 可配低温物镜，低温位移台以及高频接线等定制配置。
attoDRY800桌面式光学低温恒温器已经在北京大学，中国科学院半导体研究所，国家纳米科学中心，南京大学，武汉大学，华东师范大学等单位顺利运行，助力中国科学家的科学研究。图5为常见真空罩设计，其内部可配置低温消色差物镜以及纳米精度位移台。如果有定制实验需要可联系厂家沟通设计（例如透射光谱与open cavity等实验）。
图5：常见配置-真空罩内置低温物镜与低温位移台。
attoDRY800主要技术特点：
☛ 光学平台和闭式循环低温恒温器无缝结合
☛ 提供无光学平台配置：全新一代独立光学低温恒温器attoDRY800xs
☛ 宽温度范围（3.8 K…300 K），自动温度控制
☛ 用户友好、多功能、模块化
☛ 与低温消色差物镜兼容，数值孔径大于0.8
☛ 可定制真空罩，标准样品空间：75 mm直径。
☛ 与典型光学桌的高度相同
☛ 包含36根直流电线
图6：全新一代独立光学低温恒温器attoDRY800xs- 冷头与光学面包板高度集成。
attoDRY800桌面式光学低温恒温器 部分发表文献：
☛ N.Y.Yao et al. Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors. Nature 627, 73–79 (2024)
☛ Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr2S4 Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024
☛ Yohannes Abate et al. Sulfur Vacancy Related Optical Transitions in Graded Alloys of MoxW1-xS2 Monolayers. Adv. Optical Mater. 2024, 2302326
☛ Pablo P. Boix et al. Perovskite Thin Single Crystal for a High Performance and Long Endurance Memristor. Adv. Electron. Mater. 2024, 2300475
☛ Mauro Valeri et al. Generation and characterization of polarization-entangled states using quantum dot single-photon sources. 2024 Quantum Sci. Technol. 9 025002
☛ Ajit Srivastava, et al; Quadrupolar–dipolar excitonic transition in a tunnel-coupled van der Waals heterotrilayer. Nature Materials 22, 1478–1484 (2023)
☛ Hanlin Fang et al. Localization and interaction of interlayer excitons in MoSe2/WSe2 heterobilayers. Nature Communications 14 : 6910 (2023)
☛ S. Kolkowitz et al. Temperature-Dependent Spin-Lattice Relaxation of the Nitrogen-Vacancy Spin Triplet in Diamond, Phys. Rev. Lett. 130, 256903,2023
☛ Yunan GAO, et al. Bright and Dark Quadrupolar Excitons in the WSe2/MoSe2/WSe2 Heterotrilayer. Phys. Rev. Lett. 131, 186901,2023
☛ Tim Schröder, et al. Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures. Phys. Rev. X 13, 011042 , 2023
attoDRY800桌面式光学低温恒温器 部分国内用户单位：
