聚焦极端低温磁场环境，洞悉微观光学领域神秘物理新特性！

2024-03-0178

导读

由国际知名低温显微镜领域制造商attocube systems AG公司与拉曼显微成像创新公司WITec GmbH联合研发推出的低温强磁场拉曼显微镜cryoRaman，集成了attocube公司领先的低温恒温器和纳米定位器技术，以及WITec公司系列显微镜的高灵敏度和模块化设计，实现了极低温拉曼成像在强磁场中的高效应用，并且将拉曼成像的空间分辨率带到极限，非常适合在低温强磁场等极端环境下进行多种新物理特性的研究。设备推出至今，已帮助全球多个课题组取得了突出科研成果。

图1. 低温强磁场拉曼显微镜cryoRaman设备图。设备集成attoDRY2100低温强磁场系统与拉曼显微镜。

超发射范德华异质结构

范德华异质结构（vdWh）具有各种技术上有用的光电子特征，其中，异质结由多层六方氮化硼（hBN）夹在过渡金属二硫族化物（TMD）的单层之间组成。Martin Kalbac（捷克科学院，捷克共和国）课题组通过低温强磁场拉曼显微镜cryoRaman测量光致发光，证明在温度低于15K时，对声子数量有强烈的抑制。随后，激子以vdWh的从头到尾的方式自组装成有序阵列，集体振荡并相干辐射，即使在极低的泵浦强度下也是如此。因此，超发射vdWh是研究多体相关性的绝佳体系。

图2：cryoRaman观测异质结中的荧光光谱成像数据。温度4K，532 nm激光激发，760 nm附近尖锐峰值的积分强度的空间分布。

参考文献【1】：Golam Haider et.al, Superradiant Emission from Coherent Excitons in van Der Waals Heterostructures, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102196。

稀土钙钛矿的磁模式：磁场相关的非弹性光散射研究

本质上惰性的稀土钙钛矿，如LaAlO₃，可以通过引入某些阳离子或空位而转变为光学和磁活性材料。Venkatesan教授（新加坡国立大学）和于霆教授（新加坡南洋理工大学）等人通过低温强磁场拉曼显微镜cryoRaman和 attoLIQUID1000 低温恒温器对几种不含磁性杂质的稀土钙钛矿进行了低温磁拉曼研究。测量结果揭示了带隙中存在具有磁自由度的缺陷态，表明适当的缺陷工程如何诱导轨道磁化，从而使稀土钙钛矿可用于新型磁性和磁光应用。

图3. cryoRaman观测LaAlO₃晶体，在温度5 K时，不同拉曼峰随着磁场强度变化数据图。

参考文献【2】：W. M. Lü et.al, Long-range magnetic coupling across a polar insulating layer,Nature Communications 7 : 11015 (2016)。

微观复杂性的宏观表现

对于处于热力学极限的多体系统，微观层面高度复杂的相演化通常不会影响宏观相演化。因此，宏观物理量的测量不会产生重大的不确定性。然而，对于足够小的低于热力学极限的系统，微观层面的复杂行为可能在宏观上表现为突现行为。日本东京大学和日本 RIKEN新兴物质科学中心的Fumitaka Kakawa 和 Yoshinori Tokura 团队通过低温强磁场拉曼显微镜cryoRaman的空间成像，研究了过渡金属二硫属化物 IrTe₂ 薄片相演化复杂性。此类研究与实际应用密切相关，因为当今的样品制造技术允许对固态纳米器件中的材料进行相控制。

图4：cryoRaman观测金属二硫属化物 IrTe₂ 薄片，拉曼扫描成像数据图。

参考文献【3】：H. Oike et.al, Real-Space Observation of Emergent Complexity of Phase Evolution in Micrometer-Sized IrTe2 Crystals,Phys. Rev. Lett.127, 145701 2021。

用于探测石墨烯局部材料特性的磁拉曼显微镜

共焦拉曼显微镜与4 K 磁场的结合为研究和调整石墨烯和少层石墨烯中的电子-声子相互作用提供了机会。特别是，当朗道能级之间的能量匹配时，朗道能级之间的激发可以与拉曼有源长波光学声子（G-声子）共振耦合，从而产生磁声子共振（MPR）。如图5所示，在±3.7 T的磁场下出现了这种共振，并用箭头进行突出标记。耦合的细节取决于所研究的石墨烯层的各种材料特性。从MPR实验结果中，可以提取电子-声子耦合常数或载流子费米速度等器件参数。有趣的是，对于低载流子掺杂，费米速度显示了多体相互作用效应的特征。