對稱性是影響物理系統各項性質的一個基礎因子。由于維度的降低，原子層厚度的范德華材料是研究對稱性調控量子現象的天然平臺。二維層狀磁體材料中，磁序是對稱性調控的一個額外自由度。有鑒于此，近期，美國華盛頓大學的許曉棟教授課題組在《自然-物理》雜志上發表了低溫強磁場拉曼光譜研究單層與雙層CrI3晶體材料磁振子的工作，驗證了對稱性在二維材料體系中對磁振子的實際影響。
單層CrI3材料中存在兩種自旋波（見圖1），一種是面內聲學模式，另一種是面外的光學模式。之前文章中理論預計該自旋波隙大約是0.3-0.4 meV（2.4-3.2 cm-1）, 原則上可被拉曼光譜探測到。
圖1. (a-b)單層CrI3材料的兩種自旋波，a)面內聲學模式，(b)面外光學模式；(c) 單層CrI3的反射磁圓二色性成像圖（內置圖左，單層CrI3的光學照片）；(d-f)單層CrI3的低溫強磁場拉曼光譜數據，磁場分別為0T, -4T, 4T。
圖1d數據顯示在無磁場時候，由于瑞利光的存在，拉曼光譜無法測到信號，而當施加強磁場時，低波數拉曼可以明顯觀測到拉曼信號（見圖1e,1f）。并且通過分析，證實了測量得到的斯托克斯與反斯托克斯低波數拉曼信號完全符合光學選擇定則。
通過分析拉曼峰隨磁場變化的數據（圖2a-b），研究者發現拉曼峰位與磁場強度成線性關系，分析表明拉曼信號反應的是二維材料CrI3的磁振子信息。計算得到單層CrI3在無磁場時的自旋波隙是2.4cm-1(0.3meV)，與理論預測完全吻合。而拉曼信號隨溫度升高（見圖2c），信號強度越來越弱。
圖2. (a-b): 單層CrI3拉曼信號隨磁場強度關系圖。(c): 拉曼信號隨溫度變化圖，磁場為-7T。(d): 單層CrI3中的光學選擇定則示意圖。
圖3. (a) 雙層CrI3在6T下的拉曼光譜，(b): 雙層CrI3拉曼信號隨磁場強度關系圖。(c): 雙層CrI3拉曼光譜隨磁場變化數據，在0.7T左右磁場有反鐵磁與鐵磁轉變。
雙層CrI3與單層CrI3不同，雙層CrI3中同時存在反鐵磁與鐵磁態。圖3a是雙層CrI3在6T磁場下的拉曼數據。雙層CrI3在強磁場下表現類似鐵磁態的單層CrI3，拉曼信號與磁場強度成線性關系（見圖3b）。通過分析拉曼信號（見圖3c）與磁圓二色性 (RMCD）信號，表明雙層CrI3在在0.7T左右磁場有反鐵磁與鐵磁轉變。
文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY2100低溫恒溫器來實現器件在低溫度1.65K下通過磁場調控的低溫拉曼光學實驗。文章實驗結果表明CrI3晶體是研究磁振子物理和對稱性調控磁性器件的理想候選材料。
圖4：低振動無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動是提供高分辨率與長時間穩定光譜的關鍵因素。https://qd-china.com/zh/pro/detail/3/1912041697862
attoDRY2100+CFM I主要技術特點：
+ 應用范圍廣泛: PL/EL/ Raman等光譜測量
+ 變溫范圍：1.8K - 300K
+ 空間分辨率：< 1 μm
+ 無液氦閉環恒溫器
+ 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)
+ 低溫消色差物鏡NA=0.82
+ 精細定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K
+ 精細掃描范圍：30 μm X 30 μm@4K
+ 可進行電學測量，配備標準chip carrier
+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能
參考文獻：
[1] Xiaodong XU et al, Direct observation of two-dimensional magnons in atomically thin CrI3, Nature Physics, (2020)
