2020年新冠疫情發(fā)生以來對社會生活和發(fā)展都帶來了巨大影響。然而在如此惡劣的環(huán)境下全球的科研工作者不僅沒有停下前進的腳步，而且國內外很多課題組都取得了不錯的科研成果。本文我們將概述疫情期間在低溫光學相關實驗方面幾個代表性科研成果。
1、三角晶格反鐵磁性材料Fe1/3NbS2中的三態(tài)向列性
將反鐵磁體(AFMs)應用于自旋電子學是近年來材料學研究的重點課題之一，它有望獲得更快響應、更低閾值電流和更小尺寸的新型低能耗電子器件。
加州大學物理系的Joseph Orenstein團隊采用空間分辨光學偏振測量技術對Fe1/3NbS2晶體進行變溫測量，在反鐵磁奈爾溫度以下發(fā)現(xiàn)晶體中出現(xiàn)了三態(tài)向列性疇。作者通過光熱泵浦測量了向列性疇對溫度的敏感性。這一發(fā)現(xiàn)說明反鐵磁材料在類液晶方面具有一定的應用前景，對于新型材料的開發(fā)具有重要意義。
熱調制偏振旋轉測量的坐標圖與雙折射圖。a, 樣品不同區(qū)域的δ?表示樣品旋轉對稱性的破缺；b, 500 μm*900 μm 區(qū)域的雙折射圖，顯示了三個不同的向列性疇，其光學軸彼此夾角為120度[1]
從實驗角度來講，進行空間分辨的高精度變溫光學偏振測量對于低溫設備要求較為苛刻。先，低溫設備應具有超低震動和超高的位置穩(wěn)定性；其次，設備應具有較近的工作距離，以方便進行高數(shù)值孔徑測量。在本篇文章中作者強調實驗采用了Montana Instruments生產的光學恒溫器，系統(tǒng)配備了近工作距離窗口。利用此光學恒溫器作者非常方便的搭建了室溫物鏡的光學測量系統(tǒng)，得到了數(shù)據(jù)質量很好的實驗結果。
Montana光學恒溫器系統(tǒng)，專為低溫光學實驗設計的低溫設備，上圖為S50型恒溫器系統(tǒng)
2、同位素碳化硅中單個核自旋的糾纏和控制
固態(tài)材料中的核自旋既是消相干的原因也是自旋比特的來源。在這項工作中，芝加哥大學David D. Awschalom通過在碳化硅(SiC)中控制單個的29Si核自旋，在一個具有光學活性的空位自旋和強耦合的核寄存器之間創(chuàng)造了一個糾纏態(tài)。此外，作者還展示了如何利用SiC的同位素加工來實現(xiàn)弱耦合核自旋的控制，并提出了一種First-Principles計算方法來預測至優(yōu)同位素分數(shù)，使可用核存儲器的數(shù)量至大化?？偟膩碚f，作者展示了在固態(tài)系統(tǒng)中控制核環(huán)境的重要性，實現(xiàn)了工業(yè)尺度材料中的單光子發(fā)射器與核寄存器的連接。
初始化、控制和糾纏強耦合核自旋，詳細內容請參考原文[2]
該工作中對于單光子的觀測，作者使用了Montana Instruments生產的S100型光學恒溫器。實驗中采用了數(shù)值孔徑0.85的物鏡與單模光纖耦合的超導納米線單光子探測器。S100系統(tǒng)較大的樣品空間為該實驗提供了穩(wěn)定的低溫環(huán)境。S100型光學恒溫器是為中等尺寸低溫環(huán)境需求而專門設計的型號，相對于S50型恒溫器可以容納更多的光學組件和裝置，可以實現(xiàn)較為復雜的光學實驗方案。
Montana S100型光學恒溫器，可滿足更復雜的實驗方案，可集成物鏡
3、扭曲WSe2/WSe2雙層膜中電調控自旋谷動力學
不同于傳統(tǒng)材料，范德華異質結材料中的扭轉自由度為電學和光學性質的研究提供了一個新的工具。哈佛大學物理系的Mikhail D. Lukin與Hongkun Park團隊證明了在過渡金屬二硫系化合物雙層膜中扭轉兩層材料的角度可以改變兩層中自旋谷的動量排列，從而實現(xiàn)對自旋谷特性的控制。具體來說，在扭曲WSe2/WSe2雙層膜中作者觀察到層間激子在零電場和磁場下表現(xiàn)出高度的圓偏振（DOCP>60%）和較長的谷壽命(>40 ns)。并且通過靜電摻雜可以對谷壽命實現(xiàn)超過3個數(shù)量的調控，也可實現(xiàn)DOCP從n摻雜狀態(tài)的80%到p摻雜狀態(tài)的5%的調節(jié)。這些結果為可調手性光-物質相互作用開辟了新的途徑，使利用谷自由度制造新器件方案成為可能。
通過扭曲來改變能帶結構a，布里淵區(qū)對齊和扭曲的側視圖；b，裝置的示意圖和光學圖片；c，不同扭轉角度樣品偏振PL光譜圖，X1為層間激發(fā)，X0為層內激發(fā)；d，由c圖計算得到的PL光譜偏振角度[3]。
本工作中研究人員基于Montana光學恒溫器使用0.75數(shù)值孔徑的物鏡搭建了共聚焦顯微鏡系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)完成了高精度的光學測量。Montana恒溫器具有非常好的開放性和兼容性，研究人員幾乎可以忽略恒溫器對實驗的影響，可以直接將室溫的實驗方案平移到低溫環(huán)境中。
Montana光學恒溫器具有十分廣泛的兼容性可以滿足各種光學測量，上圖為變溫拉曼系統(tǒng)舉例
2020年至今，國內外的Montana光學恒溫器用戶發(fā)表了數(shù)篇論文，之前我們已報道過我國南京大學奚嘯翔教授發(fā)表在nature等[4, 5]著名期刊上的變溫拉曼工作，同時我們還發(fā)現(xiàn)arXiv網(wǎng)站有數(shù)十篇文章，希望這些文章能夠早日正式刊發(fā)?？磥硭僚暗囊咔橐膊荒茏钃鮉ontana光學恒溫器用戶的科研步伐。正所謂，科研只爭朝夕間，儀器在手莫等閑，全球疫情啼不住，科研已過萬重山。
參考文獻：
[1]. Arielle Little et al, Three-state nematicity in the triangular lattice antiferromagnet Fe1/3NbS2,Nature Materials19, 1062–1067 (2020)
[2]. Alexandre Bourassa et al, Entanglement and control of single nuclear spins in isotopically engineered silicon carbide,Nature Materials19, 1319–1325(2020)
[3]. Giovanni Scuri et al, Electrically Tunable Valley Dynamics in Twisted WSe2/WSe2Bilayers,Physical Review Letters, 124, 217403 (2020)
[4]. Guowen Yuan et al, Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films,Nature volume577, pages204–208(2020)
[5]. D. Lin et al, Patterns and driving forces of dimensionality-dependent charge density waves in 2H-type transition metal dichalcogenides,Nature Communications11, 2406 (2020)
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