近年來，隨著新型二維材料和拓撲材料研究的持續(xù)深入，研究者日益傾向于將低溫、磁場、光激發(fā)等多種手段與電學測量相結(jié)合，實現(xiàn)對樣品的多維度立體式的綜合測量。在過去的幾十年中，始終沒有出現(xiàn)特別理想的實驗設(shè)備可以兼具所有的測量手段。近五年來，隨著新型儀器設(shè)備的迅猛發(fā)展，全干式超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool憑借其優(yōu)質(zhì)的性能脫穎而出。該系統(tǒng)可以無縫兼容共聚焦拉曼光譜/熒光光譜、熒光壽命掃描成像、紫外/可見/近紅外光譜共聚焦掃描成像、偏振分辨二次諧波掃描成像、多功能光電流掃描成像、磁光克爾、反射磁圓二色、角分辨光譜等豐富功能，為科研工作者在新興量子材料的研究中取得了豐碩成果提供了有力支撐與保障，以下為2024年發(fā)表于Nature正刊的具有代表性的科研工作。

超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool

一、TaIrTe₄中密度調(diào)諧的雙量子自旋霍爾絕緣體

    拓撲性和關(guān)聯(lián)性是當前凝聚態(tài)物質(zhì)研究和追求新量子態(tài)的兩個重要主題。它們的相互作用產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)的拓撲相和拓撲序，這可能會導致拓撲分數(shù)化、長程糾纏和非阿貝爾任意子等現(xiàn)象。通常來說，在量子霍爾和Chern絕緣體體系中，不可能將電子關(guān)聯(lián)引入量子自旋霍爾（QSH）絕緣體誘導分數(shù)拓撲絕緣體和其他奇異的時間反演對稱拓撲序。

    2024年3月20日，美國波士頓學院物理系馬瓊助理教授、新加坡南洋理工大學Guoqing Chang助理教授團隊合作在Nature期刊發(fā)表題為“Dual quantum spin Hall insulator by density-tuned correlations in TaIrTe4”的研究論文。該團隊在研究中驚喜地發(fā)現(xiàn)在TaIrTe4本征單層晶體中存在一種新的雙重QSH絕緣體，這是由其單粒子拓撲和密度調(diào)節(jié)電子關(guān)聯(lián)的相互作用引起的。在電荷中性時，單層TaIrTe₄顯示出QSH絕緣體特性，表現(xiàn)出增強的非局域輸運和量子化的螺旋邊緣電導。從電荷中性態(tài)引入電子后，TaIrTe₄僅在小范圍的電荷密度中表現(xiàn)出金屬行為，但很快進入新的絕緣態(tài)，這在基于TaIrTe₄的單粒子能帶結(jié)構(gòu)中是完全意想不到的。這種絕緣態(tài)可能是由范霍夫奇點附近的強烈電子不穩(wěn)定性引起的，并且很可能導致電荷密度波（CDW）。

    值得注意的是，在這個關(guān)聯(lián)的絕緣能隙內(nèi)作者觀察到QSH態(tài)的復蘇。在CDW間隙中觀察到螺旋邊緣傳導，這可能會在自旋物理學和電荷有序之間架起一座橋梁。雙QSH絕緣體的發(fā)現(xiàn)為通過CDW超晶格創(chuàng)建拓撲平帶引入了一種新方法，為探索時間反轉(zhuǎn)對稱分數(shù)相和電磁學提供了一個前景廣闊的平臺。該項研究工作中超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool參與了大量的低溫電學等相關(guān)測量。

單層TaIrTe₄的電子能帶結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)和基本電學性質(zhì)

單層TaIrTe₄中CNP的QSH邊緣傳導

二．范德瓦爾斯多鐵材料中的巨大手性磁電振蕩

    手性是自然界中的一個基本概念，體現(xiàn)在物體與其鏡像不重合的特性。在晶體固體中，手性通常來自沒有適當旋轉(zhuǎn)軸的系統(tǒng)中原子之間空間坐標的不對稱性。這種幾何手性是無數(shù)現(xiàn)象的基礎(chǔ)，包括光學圓二色性、不尋常的光折變效應(yīng)和非互易量子輸運。除了這種晶格不對稱導致的手性外，還有其他形式的手性可以存在于具有非手性晶格的固體中。這些非手性晶格是由電荷密度波、回旋序和自旋螺旋磁結(jié)構(gòu)等不穩(wěn)定特性產(chǎn)生的。后者尤其重要，因為它們能夠驅(qū)動宏觀鐵電極化，這些極化與潛在的磁序交織在一起，擁有廣泛的技術(shù)應(yīng)用前景。這種磁電耦合物理機制的材料被稱為II型多鐵性材料。最近，科研學者致力于借助以中心對稱結(jié)構(gòu)結(jié)晶的范德華材料，將II型多鐵性擴展到原子級的超薄極限狀態(tài)。這為實現(xiàn)二維巨大手性磁電關(guān)聯(lián)帶來了前景。然而，到目前為止，這些耦合的確切性質(zhì)和程度仍然未知。近期，德克薩斯大學奧斯汀分校Edoardo Baldini 以及Max-Planck研究所Angel Rubio教授團隊聯(lián)合開展了精密測量動態(tài)磁電耦合的研究。作者以剝離的范德華多鐵性材料碘化鎳（NiI₂）作為研究對象，利用特定的激光脈沖來驅(qū)動一個電活性磁振子模式，并通過光學二次諧波（SHG）和磁光克爾系統(tǒng)實時跟蹤由此產(chǎn)生的偶極和自旋螺旋順序的調(diào)制。實驗結(jié)果表明樣品在太赫茲頻率下的自然光學活性，其特征是極化和磁化分量之間的正交調(diào)制。通過第一性原理計算，研究者們?nèi)娣治隽诉@些實驗結(jié)果，確認了相對論自旋-軌道相互作用在巨大自然光學活性起源中的關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)不僅增強了對范德華多鐵性材料中手性自旋結(jié)構(gòu)的理解，還突顯了在二維極限中實現(xiàn)特殊功能性的潛力，并為開發(fā)以太赫茲速度運行的范德華磁電器件鋪平了道路。

    本研究以“Giant chiral magnetoelectric oscillations in a van der Waals multiferroic” 為題于2024年7月發(fā)表在Nature正刊上。在本研究中低溫拉曼、二次諧波、磁光克爾測量全部在超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool中完成。該成果展示了OptiCool系統(tǒng)在低溫強磁場光學相關(guān)測量中的強大綜合能力。

靜態(tài)和瞬態(tài)二次諧波（SHG）偏振測量

電極化和磁化動態(tài)

三、魔角扭曲雙層石墨烯中的長壽命同旋序激發(fā)

    近年來，魔角石墨烯成為了科學研究的熱點問題。在魔角扭曲雙層石墨烯（MATBG）中，已經(jīng)報道了豐富的多體相關(guān)相，這些相關(guān)相中既有經(jīng)典特征也有奇異新特性。然而，對于理解這些相關(guān)相中潛在的物理學內(nèi)含至關(guān)重要的動力學過程尚未得到深入的探索。近期，加州大學金辰皓教授研究團隊發(fā)表的研究工作報道了利用激子探測和光學泵浦測量相結(jié)合的方法對MATBG體系的同旋序進行了研究。在放置了WSe2作為探測層的MATBG 系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，在 ν?=?2 附近和 ν?=??3 與 ?2 之間的填充范圍內(nèi)，同旋動態(tài)的壽命長達 300 ps，顯著慢于電子溫度的冷卻時間10 ps。這一非熱行為表明存在異常長壽命的同旋模式，超出了目前理論的預期。這些發(fā)現(xiàn)暗示了可能存在長程傳播的集體模式、強烈的同旋波動以及記憶效應(yīng)，并可能與谷間相干或非公度的 Kekulé 螺旋基態(tài)相關(guān)。此外，作者還研究了對同旋序的非平衡控制，能夠在超快時間尺度上改變同旋序的狀態(tài)。該項研究全方位地展示了MATBG中集體激發(fā)的特殊探索手段，并為主動控制莫爾系統(tǒng)中的非平衡現(xiàn)象鋪平了道路。在該項研究工作中所有的光學測量均在超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool中完成。該項工作于今年8月以“Long-lived isospin excitations in magic-angle twisted bilayer graphene”為題發(fā)表于Nature正刊。

樣品示意圖與光學泵浦探測，展示了MATBG中激子感測的同旋序和動態(tài)過程

電荷和同旋動態(tài)之間的解耦

四、低溫強磁場全光譜測量系統(tǒng)

    超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺-OptiCool是Quantum Design推出的全干式、全開放低溫光學研究平臺，創(chuàng)新特有的設(shè)計方案確保樣品可以處于光路的關(guān)鍵位置。系統(tǒng)擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為用戶提供高達士7T的磁場。多達7個側(cè)面窗口、1個頂部超大窗口方便光線由各個方向引入樣品腔，全自動軟件控制實現(xiàn)一鍵變溫、一鍵變場。可實現(xiàn)1.7K~350K全溫區(qū)精準控溫，實現(xiàn)超低震動<10nm(水平 峰-峰值)、<4nm(豎直峰-峰值)。低溫強磁場全光譜測量系統(tǒng)是基于低溫強磁場光學平臺Opticool基礎(chǔ)上，采用前沿的全自動控制技術(shù)，實現(xiàn)多種光路自動化切換，省去科研工作者調(diào)試光路的繁瑣工作，真正實現(xiàn)了樣品原位便捷測量。用戶可在低溫強磁場OptiCool平臺上直接實現(xiàn)多種不同的光譜測量需求，可幫助科研用戶大大提升測量的準確性與測量效率。低溫強磁場全光譜測量系統(tǒng)整體化解決方案的推出，使低溫強磁場光學實驗真正進入一鍵操控時代。

    目前，該系統(tǒng)不僅具備與各類光譜聯(lián)用的多樣化功能，還能夠基于用戶在自身光譜功能方面的實際需求，量身定制多種個性化解決方案，以滿足多樣化應(yīng)用場景下的特殊需求。