低温恒温器成功助力强磁场拉曼实现单层CrI3中二维磁振子的直接观测-化工仪器网-手机版

对称性是影响物理系统各项性质的个基础因子。由于维度的降低，原子层厚度的范德华材料是研究对称性调控量子现象的天然平台。二维层状磁体材料中，磁序是对称性调控的个额外自由度。有鉴于此，近期，美国华盛顿大学的许晓栋教授课题组在《自然-物理》杂志上发表了低温强磁场拉曼光谱研究单层与双层CrI₃晶体材料磁振子的工作，验证了对称性在二维材料体系中对磁振子的实际影响。

单层CrI₃材料中存在两种自旋波（见图1），种是面内声学模式，另种是面外的光学模式。之前文章中理论预计该自旋波隙大约是0.3-0.4 meV（2.4-3.2 cm^-1）, 原则上可被拉曼光谱探测到。

图1. (a-b)单层CrI₃材料的两种自旋波，a)面内声学模式，(b)面外光学模式；(c) 单层CrI₃的反射磁圆二色性成像图（内置图左，单层CrI₃的光学照片）； (d-f)单层CrI₃的低温强磁场拉曼光谱数据，磁场分别为0T, -4T, 4T。

图1d数据显示在无磁场时候，由于瑞光的存在，拉曼光谱无法测到信号，而当施加强磁场时，低波数拉曼可以明显观测到拉曼信号（见图1e,1f）。并且通过分析，证实了测量得到的斯托克斯与反斯托克斯低波数拉曼信号*符合光学选择定则。

通过分析拉曼峰随磁场变化的数据（图2a-b），研究者发现拉曼峰位与磁场强度成线性关系，分析表明拉曼信号反应的是二维材料CrI₃的磁振子信息。计算得到单层CrI₃在无磁场时的自旋波隙是2.4cm^-1 (0.3meV)，与理论预测*吻合。而拉曼信号随温度升高（见图2c），信号强度越来越弱。

图2. (a-b): 单层CrI₃拉曼信号随磁场强度关系图。(c): 拉曼信号随温度变化图，磁场为-7T。(d): 单层CrI₃中的光学选择定则示意图。

图3. (a) 双层CrI₃在6T下的拉曼光谱，(b): 双层CrI₃拉曼信号随磁场强度关系图。(c): 双层CrI₃拉曼光谱随磁场变化数据，在0.7T左右磁场有反铁磁与铁磁转变。

双层CrI₃与单层CrI₃不同，双层CrI₃中同时存在反铁磁与铁磁态。图3a是双层CrI₃在6T磁场下的拉曼数据。双层CrI₃在强磁场下表现类似铁磁态的单层CrI₃，拉曼信号与磁场强度成线性关系（见图3b）。通过分析拉曼信号（见图3c）与磁圆二色性 (RMCD）信号，表明双层CrI₃在在0.7T左右磁场有反铁磁与铁磁转变。

文章中，作者使用了德国attocube公司的attoDRY2100低温恒温器来实现器件在低温度1.65K下通过磁场调控的低温拉曼光学实验。文章实验结果表明CrI₃晶体是研究磁振子物理和对称性调控磁性器件的理想候选材料。