OptiCool低温光学应用域：

· MOKE/低温MOKE

· 低温拉曼

· 低温光致发光

· 紫外/红外反射&吸收

· 低温傅里叶红外

· 低温高压

· NV色心、空位荧光

· 纳米磁学

· 探测器

· 量子光学

· 自旋电子学

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应用案例

■  Nature Physics：单层激子缘体的证据

    众·所周知拓扑性和关联性之间的相互作用可以产生各种各样的量子相，其中许多原理仍有待探索。近的进展表明，单分子层WTe2在不同量子相之间具有高度的可调性，这点表明WTe2是种很有前途的材料。这种二维晶体的基态可以通过静电调谐从量子自旋霍尔缘态转化为超导态。然而，关于量子自旋霍尔缘态的带隙打开机制仍不明确。

    近日，美国普林斯顿大学Ali Yazdani和 Sanfeng Wu（共同通讯作者）等报道了量子自旋霍尔缘体也是激子缘体的证据，它是由电子空穴束缚态(即激子)的自发形成引起的。文章于2021年12月发表于Nature Physics。

    在本工作中作者使用Quantum Design生产的*无液氦综合物性测量系统PPMS DynaCool 和超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool进行了电运输和vdW隧穿的相关测量。OptiCool在2018年面世以来作为新型的强磁场低温光学研究平台受到了很多好评，并获得了当年的R&D100大奖。OptiCool的多种电学通道非常方便用户进行电学测量和栅压调控实验。

    参考文献：Jia et al., Nat. Phys (2021)  https://doi.org/10.1038/s41567-021-01422-w

■  Science：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

    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。在该工作中，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。

    作者用基于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征。该篇文章中用MOKE和RMCD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致。该工作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·佳研究平台。工作中对扭曲CrI3的MOKE和RMCD测量中使用了基于OptiCool系统的低温磁光测量系统。

    参考文献：Song et al., Science 374, 1140–1144 (2021) 26 November 2021

■  低温光学研究平台在量子材料调控方面的应用

    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。该研究工作用超精准全开放强磁场低温光学研究平台所搭建的测量系统，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“铁磁缘体GdTiO3中相干声子模的磁弹性耦合（Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3）”为题，刊登在PHYSICAL REVIEW B上。

图1. 测量设备与光路示意图（图片来源于R. D. Averitt教授关于本工作的公开报告）

    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-哈伯德缘体和轨道有序态。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。材料的反射率和克尔转角在飞秒、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，光激发扰乱了Ti离子磁晶格的排布，减弱了与Gd磁晶格的反铁磁耦合，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）。通过分析得出，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。

图3. 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

    该研究通过在变温变磁场条件下的时间分辨测量，清楚的观测到了GdTiO3在微观时间尺度上的磁性变化，通过分析详细解释了磁性演化的内在机制。这对于钙钛矿类量子材料的应用具有十分重大的意义。

■  低温光学研究平台在自旋化测量方面的应用

    美国西北大学Nathaniel P. Stern课题组用OptiCool平台搭建了用于自旋化时间分辨测量的泵浦测量系统并取得了系列重要的数据，相关的研究成果正在发表过程中。以下数据来源于该课题组Jovan Nelson博士的公开报告。

图1. InSe在10K，6T环境下自旋进动化随时间的变化

图2. InSe薄膜30K温度下自旋化随时间的变化

■  低温光学研究平台在超快光学方面的应用

    目前国内已经安装的·台设备已在清华大学投入使用，该设备将用于超快泵浦测量方向。我们将定期更新科研进展。

    OptiCool以其良的开放性能够满足多种低温强磁场光学测量的需求。打破了传统低温磁体的束缚，成为里程碑式的强磁场光学平台。该设备已经推出便获得了广泛好评。目前用户主要的应用方向是磁光测量和超快测量方向。

测试数据

1、时间分辨MOKE测量数据举例（D. J. LOVINGER, Phys. Rev. B 102, 085138 (2020)）

图1，测量设备与光路示意图（图片来源于R. D. Averitt教授的公开报告）

图2，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

图3，GdTiO3材料光激发后的磁矩演化，(a)光激发后磁矩演化的原理示意图；(b) 时间分辨MOKE测量观察到的相干振荡

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