連續(xù)登頂Nature子刊！強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)平臺(tái)助力多領(lǐng)域研究獲重要進(jìn)展

OptiCool是美國QuantumDesign推出的一款全新超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)，近年來在磁性材料、光電子學(xué)、二維材料等領(lǐng)域研究中做出了重要貢獻(xiàn)。由于系統(tǒng)集出色的溫度控制、磁場(chǎng)控制、光學(xué)特性、電學(xué)通道于一身，越來越多的重要研究中出現(xiàn)了OptiCool的身影，充分展現(xiàn)了其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣泛的適用性。本文結(jié)合近期發(fā)表的兩篇《Nature》子刊文章介紹OptiCool的相關(guān)應(yīng)用，并探討綜合光學(xué)測(cè)量方案為科研工作帶來的便利。

一、光學(xué)測(cè)量方案之RMCD：揭示微觀磁性界面的奧秘

在磁性材料的研究中，OptiCool設(shè)備出色的極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境為研究者提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)支持，尤其在二維材料領(lǐng)域的研究中起到了關(guān)鍵作用。以CrPS₄這一典型的二維反鐵磁（AFM）材料為例，其獨(dú)特的反鐵磁-鐵磁界面現(xiàn)象一直是磁性研究中的難題。近期Nature materials雜志發(fā)表了題為“Configurable antiferromagnetic domains and lateral exchange bias in atomically thin CrPS₄"的論文，這一重要工作來自波士頓學(xué)院的Yu-Xuan Wang研究團(tuán)隊(duì)。研究人員通過OptiCool設(shè)備提供的精確溫控條件，通過磁圓二色性（RMCD）成功探測(cè)到CrPS4材料在不同層次之間的微觀磁性變化。

CrPS₄偶數(shù)-奇數(shù)界面處的橫向交換偏置

CrPS₄材料在二維極限下，表現(xiàn)出獨(dú)特的磁性行為，尤其是其層間交換偏置效應(yīng)，這一現(xiàn)象在低溫條件下得到了充分的驗(yàn)證。通過使用OptiCool設(shè)備，研究人員能夠在極低溫度下穩(wěn)定控制樣品溫度，進(jìn)行高精度的磁光測(cè)量，并揭示了在反鐵磁（AFM）區(qū)域與鐵磁（FM）區(qū)域之間的交換偏置機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了二維磁性材料的理論體系，而且為未來磁性存儲(chǔ)、量子計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路。

此外，OptiCool設(shè)備還幫助研究者深入理解了CrPS₄材料中的反鐵磁-鐵磁相互作用，提出了通過調(diào)控不同厚度層的磁性行為來實(shí)現(xiàn)多級(jí)交換偏置的方案。這一研究為磁性材料在高密度信息存儲(chǔ)和自旋電子學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，對(duì)未來磁性材料的功能化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

二、光學(xué)測(cè)量方案之SHG：二維拓?fù)浒虢饘賂aIrTe₄太赫茲傳感器

靈敏、寬帶和快速的太赫茲探測(cè)器，是太赫茲傳感技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)。熱輻射計(jì)體積大、速度慢。肖特基二極管之類的電子太赫茲探測(cè)器速度快，但頻率窗口狹窄，窗口外靈敏度會(huì)迅速下降。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Tairan Xi團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種二維拓?fù)浒虢饘賂aIrTe₄，具有較大的室溫非線性霍爾效應(yīng)，并且這種效應(yīng)和太赫茲非線性電動(dòng)力學(xué)之間存在相互作用，可以作為太赫茲傳感的機(jī)制。以此原理制備的光電探測(cè)器，在室溫0.1–10THz寬帶光譜范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了高靈敏度和較大的零偏置響應(yīng)度，并具有皮秒量級(jí)的本征超快響應(yīng)時(shí)間。此外，還發(fā)現(xiàn)二維極限下的強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致顯著的能帶重整化，可進(jìn)一步提升響應(yīng)度。由于少層材料中較弱的介電屏蔽效應(yīng)，通過原位靜電柵壓可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和太赫茲整流性能的調(diào)控。

薄層TaIrTe₄中大的非線性霍爾效應(yīng)

基于OptiCool的二次諧波（SHG）測(cè)量作為一種非線性光學(xué)測(cè)量技術(shù)，通過激發(fā)材料并測(cè)量其發(fā)射的第二次諧波信號(hào)，可以提供關(guān)于材料對(duì)稱性的重要信息。在本研究中SHG被用來確認(rèn)TaIrTe₄這種二維拓?fù)浒虢饘俚目臻g對(duì)稱性變化，特別是其從三維到二維極限的過渡。在本工作中作者通過SHG測(cè)量驗(yàn)證TaIrTe₄在從體材料到單層材料的過程中，空間群對(duì)稱性發(fā)生了改變。這一變化是由于薄層TaIrTe4樣品缺乏螺旋軸和滑移平面對(duì)稱性，從而使得其非中心對(duì)稱性質(zhì)得以顯現(xiàn)，并為后續(xù)的非線性霍爾效應(yīng)（NHE）提供了理論基礎(chǔ)。本工作以“Terahertz sensing based on the nonlinear electrodynamics of the two-dimensional correlated topological semimetal TaIrTe₄"為題發(fā)表在Nature Electronics上。

三、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量一站式解決方案

OptiCool設(shè)備在磁性材料、光電子學(xué)及熱電性能測(cè)試等多個(gè)研究領(lǐng)域的成功應(yīng)用，證明了其在科研中的重要作用。通過為科研人員提供精準(zhǔn)的溫度和磁場(chǎng)環(huán)境，OptiCool幫助推動(dòng)了多個(gè)前沿領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)了新材料、新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。為了提高科研效率，可以 最大限度發(fā)揮OptiCool的價(jià)值，Quantum Design中國子公司綜合了使用頻率較高的光學(xué)測(cè)量方案，推出了低溫強(qiáng)磁場(chǎng)全光譜測(cè)量系統(tǒng)。

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)全光譜測(cè)量系統(tǒng)

Quantum Design采用模塊化的光路搭建與控制技術(shù)，開發(fā)了多種整體化測(cè)量解決方案。為了提高設(shè)備的使用效率，系統(tǒng)支持多種光路的自動(dòng)化切換，一套OptiCool即可滿足不同的測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)測(cè)量功能。通過軟件和步進(jìn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)光路自動(dòng)化切換，避免了手動(dòng)切換光路后需要反復(fù)調(diào)試的情況。整體化解決方案的推出使低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入一鍵操控時(shí)代。

目前已經(jīng)支持的實(shí)驗(yàn)方案有熒光，熒光壽命，拉曼光譜，偏振分辨二次諧波，光電流，磁光克爾、磁圓二色、角分辨、超快泵浦測(cè)量等可供用戶選擇。