研究背景

晶體的機(jī)械形變會(huì)對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。值得注意的是，即使是化學(xué)鍵幾何形狀很小的修改也可以完全改變磁交換相互作用的大小和符號(hào)，從而改變磁基態(tài)。來自華盛頓大學(xué)的徐曉棟教授課題組通過可以連續(xù)原位施加單軸張應(yīng)力的裝置在低溫下使二維A型層狀反鐵磁半導(dǎo)體材料CrSBr產(chǎn)生了高達(dá)幾個(gè)百分點(diǎn)形變。利用該裝置，研究者實(shí)現(xiàn)了零磁場下應(yīng)變誘導(dǎo)的可逆反鐵磁-鐵磁相變，及應(yīng)變調(diào)控的自旋翻轉(zhuǎn)過程。該工作為二維材料的磁性和其他電子態(tài)的應(yīng)變調(diào)控創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。該工作于2022年1月20日發(fā)表在nature nanotechnology上。

該研究中涉及到了多種原位低溫光譜的測(cè)量。為這些低溫光學(xué)測(cè)量提供高穩(wěn)定性低溫及磁場環(huán)境的正是目前光學(xué)低溫設(shè)備中的優(yōu)秀代表：OptiCool-超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)和Montana超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器。

案例展示

? 低溫拉曼原位檢測(cè)應(yīng)變大小——基于OptiCool的低溫拉曼測(cè)量

研究者利用新的應(yīng)變裝置，通過對(duì)壓電陶瓷施加電壓來原位改變二維材料的單軸應(yīng)變。為了估算CrSBr的應(yīng)變大小，研究者比較了在應(yīng)變區(qū)域和遠(yuǎn)離間隙的非應(yīng)變區(qū)域的拉曼光譜。為此，該團(tuán)隊(duì)使用應(yīng)變片異質(zhì)結(jié)構(gòu)校準(zhǔn)了345 cm?1拉曼峰位(標(biāo)記為P3)與壓電陶瓷所加電壓以及應(yīng)變率之間的關(guān)系。校準(zhǔn)得到的紅移率為~4.2 cm?1每1%應(yīng)變，與第一原理計(jì)算預(yù)測(cè)的~4.4 cm?1每1%應(yīng)變相一致。

圖1：原位可調(diào)應(yīng)變裝置與拉曼測(cè)量應(yīng)變率

圖2：應(yīng)變誘導(dǎo)的反鐵磁-鐵磁相變

? 低溫PL光譜探測(cè)CrSBr磁性變化——基于Montana超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器的PL光譜測(cè)量

由于極向RMCD對(duì)面外磁性比較敏感，而CrSBr是面內(nèi)的A型反鐵磁結(jié)構(gòu)，因此用RMCD來測(cè)量磁性并不是一種好的方法，近期研究發(fā)現(xiàn)，激子光致發(fā)光（PL）和吸收譜對(duì)CrSBr的層間反鐵磁和鐵磁排列非常敏感。因此該工作中用低溫PL光譜研究了CrSBr不同應(yīng)變下的磁性態(tài)。

圖3：應(yīng)變誘導(dǎo)的磁相變前后與磁場相關(guān)的PL光譜

? 低溫RMCD探測(cè)CrSBr自旋翻轉(zhuǎn)過程——基于Montana定制型光學(xué)恒溫器的RMCD測(cè)量

在對(duì)CrSBr二維材料施加面外磁場時(shí)，自旋會(huì)逐漸翻轉(zhuǎn)至面外方向。研究者發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致自旋翻轉(zhuǎn)過程發(fā)生劇烈的變化。利用低溫極向RMCD作為面外磁化的敏感探針，研究者測(cè)量了應(yīng)力對(duì)自旋翻轉(zhuǎn)的影響。

圖4：應(yīng)變調(diào)控的面外磁翻轉(zhuǎn)過程

總結(jié)

在此作中，研究者展示了新的技術(shù)手段以用來探測(cè)低溫下原位可調(diào)的單軸應(yīng)變對(duì)二維材料和異質(zhì)結(jié)的影響。利用這一技術(shù)，研究者實(shí)現(xiàn)了對(duì)層狀磁性半導(dǎo)體CrSBr磁性能前所未有的控制。研究結(jié)果表明利用自旋、電荷、晶格之間獨(dú)特的耦合作用可以用于制造二維器件，例如應(yīng)力控制的磁阻開關(guān)、通過應(yīng)變導(dǎo)致的磁性態(tài)反轉(zhuǎn)對(duì)稱性破缺實(shí)現(xiàn)調(diào)控二次諧波，或者零磁場下調(diào)控磁隧道結(jié)。利用應(yīng)變的調(diào)控還可以擴(kuò)展到范德瓦爾斯材料之外的其他二維材料、異質(zhì)結(jié)、莫爾超晶格中，為應(yīng)變調(diào)控開辟了廣闊的前景。

設(shè)備簡介

OptiCool超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)

OptiCool是Quantum Design于2018年2月最新推出的超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場低溫光學(xué)研究平臺(tái)，創(chuàng)新獨(dú)特的設(shè)計(jì)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，可在超大空間為您提供高達(dá)±7T的磁場。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的同時(shí)擺脫大型低溫系統(tǒng)的各種束縛。

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)一鍵變溫、一鍵變場、頂部窗口90°光路張角讓測(cè)量更便捷；專利控溫技術(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)無限可能。

OptiCool技術(shù)特點(diǎn)：

全干式系統(tǒng)：完全無液氦系統(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；可升級(jí)底部窗口

超大磁場：±7T

超低震動(dòng)：<10 nm ?峰-峰值

超大空間：Φ89 mm×84 mm

精準(zhǔn)控溫：1.7K~350K全溫區(qū)精準(zhǔn)控溫

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

近工作距離：可選3 mm工作距離窗口或集成鏡頭方案

Montana超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器

全球知名光學(xué)恒溫器制造商Montana Instruments多年來為低溫光學(xué)、量子信息等領(lǐng)域提供性能卓越的光學(xué)恒溫器而廣受好評(píng)。作為低溫光學(xué)恒溫器的旗艦產(chǎn)品，Montana Instruments最近推出了全新型號(hào)CryoAdvance系列。該系列的目標(biāo)是助力科技工作者在先進(jìn)材料和量子信息領(lǐng)域研究研究方面更進(jìn)一步。

CryoAdvance 50新特色

自動(dòng)控制：全新智能觸摸屏系統(tǒng)，“一鍵式操作”，實(shí)時(shí)顯示溫度、穩(wěn)定性、真空度等多種指標(biāo)；

模塊化設(shè)計(jì)：多種配置可選，快速滿足各種實(shí)驗(yàn)需求，后續(xù)升級(jí)簡單；

多通道設(shè)計(jì)：基本配置已包含光學(xué)窗口+直流電學(xué)+高頻電學(xué)通道；

穩(wěn)定性設(shè)計(jì)：新設(shè)計(jì)在變溫和振動(dòng)穩(wěn)定性上進(jìn)一步優(yōu)化。

CryoAdvance 50主要參數(shù)

自動(dòng)控溫：3.2K - 350K 樣品臺(tái)

溫度穩(wěn)定性：<10mK（峰-峰值）

震動(dòng)穩(wěn)定性：<5 nm（峰-峰值）

降溫時(shí)間：300K-4.2K ~2小時(shí)

樣品腔空間：Φ53 mm ×100 mm

光學(xué)窗口：5個(gè)光學(xué)窗口，可選光纖引入

水平光路高度：140 mm

窗口材料：多種材質(zhì)可選

基本電學(xué)通道：20條直流通道

接口面板：雙RF接口+25DC接口

審核編輯 ：李倩