、扭曲二維材料磁性體系中的磁疇和莫爾磁性的直接可視化（Science）

    扭曲非磁性二維材料形成的莫爾超晶格是研究奇異相關(guān)態(tài)和拓?fù)鋺B(tài)的高度可調(diào)控系統(tǒng)。近些年來(lái)在旋轉(zhuǎn)石墨烯等多種二維材料中都觀察到了很多奇異的性質(zhì)。有鑒于此，來(lái)自華盛頓大學(xué)的許曉棟教授課題組報(bào)道了在小角度扭曲的二維CrI₃中出現(xiàn)的磁性紋理。

原文圖1，層堆疊依賴的磁性和扭曲雙層CrI₃的磁光測(cè)量

    作者用基于NV色心的量子磁強(qiáng)計(jì)直接可視化測(cè)量了納米尺度的磁疇和周期圖案，這是莫爾磁性的典型征。該篇文章中研究者用MOKE和RMCD（反射磁圓二色性）對(duì)樣品的磁性進(jìn)行了精細(xì)的測(cè)量。研究表明，在扭曲的雙分子層CrI₃中反鐵磁(AFM)和鐵磁(FM)域共存，具有類似無(wú)序的空間模式。在扭曲三層CrI₃中具有周期性圖案的AFM和FM疇，這與計(jì)算得到的CrI₃莫爾超晶格中層間交換相互作用產(chǎn)生的空間磁結(jié)構(gòu)相致。本文的研究結(jié)果表明莫爾磁性超晶格可以作為探索納米磁性的·佳研究平臺(tái)。

原文圖3，雙三層扭曲CrI₃的磁光和NV磁強(qiáng)計(jì)掃描測(cè)量圖

    該研究工作中對(duì)扭曲CrI₃的MOKE和RMCD測(cè)量中使用了基于超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)OptiCool的低溫磁光測(cè)量系統(tǒng)。OptiCool具有多個(gè)窗口，超低震動(dòng)，1.7K-350K超大控溫區(qū)間等諸多點(diǎn)可以滿足這種高精度的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量。

二、鐵磁緣體GdTiO₃中相干聲子模的磁彈性耦合（PHYSICAL REVIEW B）

    2020年8月，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校（UC San Diego）R. D. Averitt課題組在量子材料調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展。該研究工作用超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái) Opticool所搭建的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)低溫磁場(chǎng)環(huán)境下的超快泵浦測(cè)量詳細(xì)研究了GdTiO₃鈣鈦礦材料在光激發(fā)下自旋與晶格相互作用以及磁性變化在不同時(shí)間尺度上的各種演化機(jī)制。這對(duì)于可應(yīng)用于量子信息域的鈣鈦礦類量子材料實(shí)現(xiàn)超快的量子調(diào)控十分重要。相關(guān)研究成果以 “Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO₃" 為題，刊登在PHYSICAL REVIEW B上。

GdTiO₃材料不同溫度下的反射率泵浦測(cè)量，(a)反射率隨時(shí)間的變化；(b)峰值反射率隨溫度變化；(c) 反射率在不同時(shí)間段的演變機(jī)制

不同溫度、不同磁場(chǎng)下時(shí)間分辨MOKE測(cè)量觀察到的GdTiO₃材料磁性的演變

    GdTiO₃在鈣鈦礦材料相圖中處于鐵磁-反鐵磁的邊緣區(qū)域，在基態(tài)時(shí)Gd磁晶格與Ti磁晶格成反鐵磁耦合排列，材料表現(xiàn)出亞鐵磁性，同時(shí)材料還是莫-哈伯德緣體和軌道有序態(tài)。該研究工作在不同溫度和不同磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)GdTiO₃材料進(jìn)行了時(shí)間分辨的反射率和磁光克爾測(cè)量。材料的反射率和科爾轉(zhuǎn)角在飛秒、皮秒時(shí)間尺度上表現(xiàn)出了多種演化機(jī)制。針對(duì)在皮秒量上的自旋-晶格相互作用機(jī)制，通過(guò)采用660 nm對(duì)應(yīng)于Ti 3d-3d 軌道Mott-Hubbard帶隙的光激發(fā)，對(duì)所得MOKE信號(hào)的分析可以得出，光激發(fā)擾亂了Ti離子磁晶格的排布，減弱了與Gd磁晶格的抵消作用，使得材料的凈磁矩增加。進(jìn)而光激發(fā)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸影響Gd磁晶格的穩(wěn)定性使得材料的凈磁矩減少。另外，實(shí)驗(yàn)觀察到MOKE和反射率測(cè)量在皮秒尺度上都有相干振蕩，且隨著時(shí)間發(fā)生明顯的紅移。該振蕩對(duì)應(yīng)于光激發(fā)在材料中產(chǎn)生的應(yīng)力波（相干聲子）。通過(guò)分析，該應(yīng)力波與材料的磁性也有密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明通過(guò)聲子與磁性的耦合來(lái)直接調(diào)控磁性也具有很大的可行性。

時(shí)間分辨MOKE測(cè)量系統(tǒng)圖片和光路示意圖

三、為什么OptiCool是更適合做強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量的設(shè)備？

    OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)，創(chuàng)新*的設(shè)計(jì)方案確保樣品可以處于光路的核心位置。系統(tǒng)擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達(dá)±7T的磁場(chǎng)。多達(dá)7個(gè)側(cè)面窗口、1個(gè)頂部超大窗口方便光線由各個(gè)方向引入樣品腔，高度集成式的設(shè)計(jì)讓您的樣品在擁有低溫磁場(chǎng)的同時(shí)擺脫傳統(tǒng)低溫系統(tǒng)對(duì)光路的各種束縛，真正實(shí)現(xiàn)自由光路的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

    OptiCool是全干式系統(tǒng)，啟動(dòng)和運(yùn)行只需少量氦氣。全自動(dòng)軟件控制實(shí)現(xiàn)鍵變溫、鍵變場(chǎng)、頂部窗口90°光路張角讓測(cè)量更便捷；控溫技術(shù)讓控溫更智能；新型磁體完·美結(jié)合了超大均勻區(qū)與超大數(shù)值孔徑。OptiCool讓低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)具有無(wú)限可能。為了進(jìn)步滿足用戶的大數(shù)值孔徑測(cè)量需求，OptiCool·后開(kāi)發(fā)出了近工作距離窗口和集成物鏡方案，可以滿足各種用戶的需求。

OptiCool近工作距離窗口（左）與外部物鏡（右）安裝示意圖

內(nèi)部集成室溫物鏡（左）與集成低溫物鏡（右）定制化方案示意圖

OptiCool技術(shù)點(diǎn)：

? 全干式系統(tǒng)：*無(wú)液氦系統(tǒng)，脈管制冷機(jī)。

? 8個(gè)光學(xué)窗口：7個(gè)側(cè)面窗口，1個(gè)頂部窗口；可升底部窗口

? 超大磁場(chǎng)：±7T

? 超低震動(dòng)：<10nm  峰-峰值

? 超大空間：Φ89mm×84mm

? 精準(zhǔn)控溫：1.7K~350K全溫區(qū)精準(zhǔn)控溫

? 新型磁體：同時(shí)滿足超大磁場(chǎng)均勻區(qū)、大數(shù)值孔徑的要求。

? 近工作距離：可選3mm工作距離窗口或集成鏡頭方案（new！）

? 底部窗口升：系統(tǒng)可升底部窗口，滿足豎直方向的透射實(shí)驗(yàn)（new！）。

? 多種接口：直流通道、射頻通道、光纖通道、氣體通道（new！）。

【參考文獻(xiàn)】

1、Song et al., Science 374, 1140–1144 (2021) 26 November 2021

2、D.J.Lovinger et al., PHYSICAL REVIEW B 102,085138(2020).

相關(guān)產(chǎn)品：

1、超精準(zhǔn)全開(kāi)放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool

https://www.chem17.com/product/detail/29046486.html