頻獲期刊提及的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng) 近期又有兩篇Nature正刊提及！

近期，兩篇發(fā)表于《Nature》正刊的研究成果，均提及了一款關(guān)鍵科研設(shè)備 ——低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。這款設(shè)備為何能成為量子材料研究領(lǐng)域的核心工具？其技術(shù)原理、應(yīng)用價(jià)值及主流解決方案又有哪些特點(diǎn)？本文將根據(jù)近期發(fā)表案例展開深入解析。

一、光學(xué)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

近些年來(lái)隨著物理和材料相關(guān)研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)術(shù)研究工作中用到了低溫環(huán)境下或者是低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的光學(xué)測(cè)量。低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境在傳統(tǒng)的材料學(xué)相關(guān)研究中已經(jīng)是重要的測(cè)量條件，但是以前更多的是將低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)與電學(xué)測(cè)量相結(jié)合。隨著量子材料研究的興起，緊靠電學(xué)測(cè)量已無(wú)法滿足科研的需求。將低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)與光學(xué)測(cè)量相結(jié)合已成為量子材料研究的全新探測(cè)工具。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)光學(xué)測(cè)量具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 高能量分辨率： 可以精確測(cè)量能隙、聲子能量、激子束縛能等；

• 高空間分辨率： 結(jié)合顯微成像和顯微光譜技術(shù)，可以對(duì)微米甚至納米尺度的樣品（如二維材料、納米線、量子點(diǎn)）進(jìn)行局域測(cè)量；

• 無(wú)損和非接觸： 不需要制備電極，避免了電極接觸對(duì)樣品可能造成的污染或影響，特別適合容易被損壞的新材料；

• 豐富的信息維度： 光學(xué)測(cè)量可以獲取能量、動(dòng)量、偏振、壽命等多維信息。例如：偏振分辨測(cè)量可以探測(cè)晶格對(duì)稱性和電子各向異性。時(shí)間分辨測(cè)量可以追蹤超快的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量手段的興起，源于現(xiàn)代科學(xué)研究正走向極端條件和量子調(diào)控?？茖W(xué)家們不再滿足于研究物質(zhì)在常規(guī)環(huán)境下的性質(zhì)，而是主動(dòng)創(chuàng)造極端環(huán)境（低溫、強(qiáng)場(chǎng)、高壓），來(lái)揭示材料更深層次的、在常規(guī)條件下隱藏的量子特性。光學(xué)測(cè)量則像一雙敏銳的“眼睛”，能夠以無(wú)損、高分辨率的方式洞察這些量子現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，低溫消除了熱噪聲，強(qiáng)磁場(chǎng)能操控電子態(tài)，而光學(xué)測(cè)量則提供了高分辨率、無(wú)損的探測(cè)方式。三者結(jié)合，形成了研究量子現(xiàn)象無(wú)比重要的強(qiáng)大工具。

二、正刊案例：低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量的實(shí)戰(zhàn)突破

案例1. 轉(zhuǎn)角雙層二碲化鉬（MoTe?）材料中分?jǐn)?shù)填充態(tài)的隱藏態(tài)及動(dòng)力學(xué)行為

今年，哥倫比亞大學(xué)朱曉陽(yáng)課題組在轉(zhuǎn)角雙層二碲化鉬（MoTe?）材料的特性研究中取得了重要成果。2025年4月3日，Nature以《Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe₂ bilayers》為題在線發(fā)表了該項(xiàng)研究的重要成果，Yiping Wang為改文章的第一作者，朱曉陽(yáng)為通訊作者。

該課題組利用超快瞬態(tài)光學(xué)泵浦-探測(cè)光譜技術(shù)，系統(tǒng)探測(cè)和揭示了扭曲雙層MoTe?（tMoTe?）莫爾超晶格中豐富的分?jǐn)?shù)量子態(tài)，特別是在不同分?jǐn)?shù)填充因子（如ν = -4/3、-3/2、-5/3、-7/3、-5/2、-8/3等）下出現(xiàn)的多達(dá)近20個(gè)隱藏的分?jǐn)?shù)量子態(tài)。這些分?jǐn)?shù)量子態(tài)被認(rèn)為是具有潛在拓?fù)湫再|(zhì)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子液體，可能對(duì)應(yīng)阿貝爾或非阿貝爾的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)、分?jǐn)?shù)量子陳數(shù)絕緣體以及分?jǐn)?shù)量子拓?fù)浣^緣體等新奇拓?fù)湎唷?/p>

利用泵浦探針光譜對(duì)MoTe?的隱藏態(tài)和分?jǐn)?shù)填充進(jìn)行測(cè)量

文章通過(guò)低溫（約2 K）下的時(shí)間分辨光譜實(shí)驗(yàn)，揭示了這些分?jǐn)?shù)量子態(tài)在皮秒尺度上的動(dòng)態(tài)熔化與恢復(fù)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電子摻雜態(tài)和空穴摻雜態(tài)在熔化動(dòng)力學(xué)上存在顯著差異，電子態(tài)因?qū)娱g雜化更強(qiáng)而熔化更快，空穴態(tài)則更局域且響應(yīng)更慢。同時(shí)，研究還觀察到了電子態(tài)與聲子態(tài)的耦合及其對(duì)分?jǐn)?shù)量子態(tài)動(dòng)力學(xué)的影響，進(jìn)一步通過(guò)泵浦功率、溫度和磁場(chǎng)等多參數(shù)調(diào)控，深入解析了這些復(fù)雜多體態(tài)的物理機(jī)制。

該項(xiàng)研究取得了一些列突破性成果，首先，研究發(fā)現(xiàn)了多種隱藏的分?jǐn)?shù)量子態(tài)，拓展了莫爾超晶格中拓?fù)淞孔酉嗟姆N類和理解范圍。其次，揭示了分?jǐn)?shù)量子態(tài)的超快動(dòng)力學(xué)特征，包括電子和聲子機(jī)制的不同時(shí)間尺度的熔化與恢復(fù)過(guò)程。此外，該研究證明了時(shí)間域光譜技術(shù)在探測(cè)微弱、液態(tài)性質(zhì)的分?jǐn)?shù)量子態(tài)中的高靈敏度和優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和操控拓?fù)淞孔討B(tài)提供了新方法。

總體而言，該研究凸顯了了理論與前沿實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合的重要性，不僅豐富了對(duì)扭曲雙層MoTe?中分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)和拓?fù)湎嗟恼J(rèn)識(shí)，也為實(shí)現(xiàn)基于莫爾材料的拓?fù)淞孔悠骷於藢?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。該項(xiàng)研究工作提到了超快泵浦測(cè)量是在Quantum Design的超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool中完成的。

【參考】Wang, Y., Choe, J., Anderson, E. et al. Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe2 bilayers. Nature  (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08954-8

案例2. NiI₂中p波磁體的電控轉(zhuǎn)換

2025年5月，Nature在線刊登了又一突破性進(jìn)展。美國(guó)麻省理工學(xué)院Riccardo Comin、Qian Song、美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校Rafael M. Fernandes團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)闡明了在多鐵性NiI?中存在非相對(duì)論性（p波）奇數(shù)對(duì)稱性的自旋極化。該研究結(jié)合二次諧波、拉曼光譜、線性二色性、光電流等多種測(cè)量與第一性原理計(jì)算和群理論分析，直接證明了自旋螺旋型II型多鐵材料NiI?的自旋極化具有與螺旋手性相關(guān)的奇宇稱特征。這種對(duì)稱性保護(hù)的耦合使得主要的非相對(duì)論性自旋極化可以通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行控制。

NiI₂的激化翻轉(zhuǎn)

圓偏振光光電流（CPGE）測(cè)量

該篇工作的重要意義在于以下幾個(gè)方面。首先發(fā)現(xiàn)了NiI?中非相對(duì)論性（p波）奇數(shù)對(duì)稱性自旋極化，該自旋極化由螺旋自旋結(jié)構(gòu)的手性決定，且不依賴強(qiáng)自旋軌道耦合。此外，研究人員實(shí)現(xiàn)了通過(guò)電場(chǎng)冷卻控制自旋極化的開關(guān)，展示了多鐵性NiI?中自旋態(tài)的電壓可控性。研究?jī)?nèi)容還揭示了自旋手性、鐵電極化與光電流（CPGE）之間的耦合機(jī)制，為利用非相對(duì)論性自旋紋理實(shí)現(xiàn)能效高、自旋電子學(xué)器件提供了新思路。通過(guò)本研究工作，作者建立了穩(wěn)定的多鐵性域選擇和CPGE測(cè)量方法，為后續(xù)研究和器件開發(fā)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本研究工作中SHG和拉曼測(cè)量是在Janis ST-500型恒溫器中進(jìn)行。線性二色性以及光電流的測(cè)量是在Quantum Design的超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool中進(jìn)行的。

【參考】Song, Q., Stavri?, S., Barone, P. et al. Electrical switching of a p-wave magnet. Nature, 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09034-7

三、淡妝濃抹總相宜，低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量的靈活性、一站式解決方案

兩篇重要工作中重要的光學(xué)測(cè)量部分都提到了OptiCool，而OptiCool為什么能夠成為眾多科學(xué)價(jià)的選擇呢？OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精準(zhǔn)全開放強(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(chǎng)，或者4T-1T-1T矢量磁場(chǎng)。多達(dá)7個(gè)側(cè)面窗口、1個(gè)頂部超大窗口、1個(gè)底部窗口（可選），方便光線由各個(gè)方向引入樣品腔。系統(tǒng)10 nm的超低振動(dòng)特性能夠?yàn)橛脩籼峁┏€(wěn)定的顯微光譜測(cè)量。已成為全球眾多科研團(tuán)隊(duì)在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量方面的優(yōu)選設(shè)備。針對(duì)用戶的常用需求，Quantum Design公司目前可以提供一站式解決方案。

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(guò)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。

此外，Quantum也針對(duì)不同的低溫系統(tǒng)開發(fā)了全面的低溫光譜測(cè)量系統(tǒng)，目前可提供的系統(tǒng)有：

• Montana超精細(xì)多功能無(wú)液氦低溫光譜系統(tǒng)

• 基于綜合物性測(cè)量系統(tǒng)PPMS DynaCool光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

• 基于Lake Shore Janis低溫、磁場(chǎng)設(shè)備的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)

• 基于attocube超低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)