强磁场低温光学平台，Nature正刊三连发！全光谱与电学测量并驾齐驱，在新型量子材料研究中大放异彩
发布日期：2024-12-20
近年来，随着新型二维材料和拓扑材料研究的持续深入，研究者日益倾向于将低温、磁场、光激发等多种手段与电学测量相结合，实现对样品的多维度立体式的综合测量。在过去的几十年中，始终没有出现特别理想的实验设备可以兼具所有的测量手段。近五年来，随着新型仪器设备的迅猛发展，全干式超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool凭借其优质的性能脱颖而出。该系统可以无缝兼容共聚焦拉曼光谱/荧光光谱、荧光寿命扫描成像、紫外/可见/近红外光谱共聚焦扫描成像、偏振分辨二次谐波扫描成像、多功能光电流扫描成像、磁光克尔、反射磁圆二色、角分辨光谱等丰富功能，为科研工作者在新兴量子材料的研究中取得了丰硕成果提供了有力支撑与保障，以下为2024年发表于Nature正刊的具有代表性的科研工作。
超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool
一、TaIrTe4中密度调谐的双量子自旋霍尔绝缘体
拓扑性和关联性是当前凝聚态物质研究和追求新量子态的两个重要主题。它们的相互作用产生了关联的拓扑相和拓扑序，这可能会导致拓扑分数化、长程纠缠和非阿贝尔任意子等现象。通常来说，在量子霍尔和Chern绝缘体体系中，不可能将电子关联引入量子自旋霍尔（QSH）绝缘体诱导分数拓扑绝缘体和其他奇异的时间反演对称拓扑序。
2024年3月20日，美国波士顿学院物理系马琼助理教授、新加坡南洋理工大学Guoqing Chang助理教授团队合作在Nature期刊发表题为“Dual quantum spin Hall insulator by density-tuned correlations in TaIrTe4”的研究论文。该团队在研究中惊喜地发现在TaIrTe4本征单层晶体中存在一种新的双重QSH绝缘体，这是由其单粒子拓扑和密度调节电子关联的相互作用引起的。在电荷中性时，单层TaIrTe4显示出QSH绝缘体特性，表现出增强的非局域输运和量子化的螺旋边缘电导。从电荷中性态引入电子后，TaIrTe4仅在小范围的电荷密度中表现出金属行为，但很快进入新的绝缘态，这在基于TaIrTe4的单粒子能带结构中是完全意想不到的。这种绝缘态可能是由范霍夫奇点附近的强烈电子不稳定性引起的，并且很可能导致电荷密度波（CDW）。
值得注意的是，在这个关联的绝缘能隙内作者观察到QSH态的复苏。在CDW间隙中观察到螺旋边缘传导，这可能会在自旋物理学和电荷有序之间架起一座桥梁。双QSH绝缘体的发现为通过CDW超晶格创建拓扑平带引入了一种新方法，为探索时间反转对称分数相和电磁学提供了一个前景广阔的平台。该项研究工作中超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool参与了大量的低温电学等相关测量。
单层TaIrTe4的电子能带结构、晶格结构和基本电学性质
单层TaIrTe4中CNP的QSH边缘传导
二．范德瓦尔斯多铁材料中的巨大手性磁电振荡
手性是自然界中的一个基本概念，体现在物体与其镜像不重合的特性。在晶体固体中，手性通常来自没有适当旋转轴的系统中原子之间空间坐标的不对称性。这种几何手性是无数现象的基础，包括光学圆二色性、不寻常的光折变效应和非互易量子输运。除了这种晶格不对称导致的手性外，还有其他形式的手性可以存在于具有非手性晶格的固体中。这些非手性晶格是由电荷密度波、回旋序和自旋螺旋磁结构等不稳定特性产生的。后者尤其重要，因为它们能够驱动宏观铁电极化，这些极化与潜在的磁序交织在一起，拥有广泛的技术应用前景。这种磁电耦合物理机制的材料被称为II型多铁性材料。最近，科研学者致力于借助以中心对称结构结晶的范德华材料，将II型多铁性扩展到原子级的超薄极限状态。这为实现二维巨大手性磁电关联带来了前景。然而，到目前为止，这些耦合的确切性质和程度仍然未知。近期，德克萨斯大学奥斯汀分校Edoardo Baldini 以及Max-Planck研究所Angel Rubio教授团队联合开展了精密测量动态磁电耦合的研究。作者以剥离的范德华多铁性材料碘化镍（NiI2）作为研究对象，利用特定的激光脉冲来驱动一个电活性磁振子模式，并通过光学二次谐波（SHG）和磁光克尔系统实时跟踪由此产生的偶极和自旋螺旋顺序的调制。实验结果表明样品在太赫兹频率下的自然光学活性，其特征是极化和磁化分量之间的正交调制。通过第一性原理计算，研究者们全面分析了这些实验结果，确认了相对论自旋-轨道相互作用在巨大自然光学活性起源中的关键作用。这些发现不仅增强了对范德华多铁性材料中手性自旋结构的理解，还突显了在二维极限中实现特殊功能性的潜力，并为开发以太赫兹速度运行的范德华磁电器件铺平了道路。
本研究以“Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic” 为题于2024年7月发表在Nature正刊上。在本研究中低温拉曼、二次谐波、磁光克尔测量全部在超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool中完成。该成果展示了OptiCool系统在低温强磁场光学相关测量中的强大综合能力。
静态和瞬态二次谐波（SHG）偏振测量
电极化和磁化动态
三、魔角扭曲双层石墨烯中的长寿命同旋序激发
近年来，魔角石墨烯成为了科学研究的热点问题。在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中，已经报道了丰富的多体相关相，这些相关相中既有经典特征也有奇异新特性。然而，对于理解这些相关相中潜在的物理学内含至关重要的动力学过程尚未得到深入的探索。近期，加州大学金辰皓教授研究团队发表的研究工作报道了利用激子探测和光学泵浦测量相结合的方法对MATBG体系的同旋序进行了研究。在放置了WSe2作为探测层的MATBG 系统中发现，在 ν = 2 附近和 ν = −3 与 −2 之间的填充范围内，同旋动态的寿命长达 300 ps，显著慢于电子温度的冷却时间10 ps。这一非热行为表明存在异常长寿命的同旋模式，超出了目前理论的预期。这些发现暗示了可能存在长程传播的集体模式、强烈的同旋波动以及记忆效应，并可能与谷间相干或非公度的 Kekulé 螺旋基态相关。此外，作者还研究了对同旋序的非平衡控制，能够在超快时间尺度上改变同旋序的状态。该项研究全方位地展示了MATBG中集体激发的特殊探索手段，并为主动控制莫尔系统中的非平衡现象铺平了道路。在该项研究工作中所有的光学测量均在超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool中完成。该项工作于今年8月以“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”为题发表于Nature正刊。
样品示意图与光学泵浦探测，展示了MATBG中激子感测的同旋序和动态过程
电荷和同旋动态之间的解耦
四、低温强磁场全光谱测量系统
超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool是Quantum Design推出的全干式、全开放低温光学研究平台，创新特有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，可在超大空间为用户提供高达士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，全自动软件控制实现一键变温、一键变场。可实现1.7K~350K全温区精准控温，实现超低震动<10nm(水平 峰-峰值)、<4nm(竖直峰-峰值)。低温强磁场全光谱测量系统是基于低温强磁场光学平台Opticool基础上，采用前沿的全自动控制技术，实现多种光路自动化切换，省去科研工作者调试光路的繁琐工作，真正实现了样品原位便捷测量。用户可在低温强磁场OptiCool平台上直接实现多种不同的光谱测量需求，可帮助科研用户大大提升测量的准确性与测量效率。低温强磁场全光谱测量系统整体化解决方案的推出，使低温强磁场光学实验真正进入一键操控时代。
目前，该系统不仅具备与各类光谱联用的多样化功能，还能够基于用户在自身光谱功能方面的实际需求，量身定制多种个性化解决方案，以满足多样化应用场景下的特殊需求。
