載流子之間的多體相互作用是相關物理學的核心。調控這種相互作用的能力將有望調控復雜的電子相圖。近年來，二維莫爾超晶格已經成為量子工程的一個前景研發平臺。莫爾系統的功能在于通過調整層扭轉角、電場、莫爾載流子濃度和層間耦合，實現其物理參數的高可調性。
由半導體過渡金屬雙鹵化合物(TMDs)形成的莫爾超晶格是一個新興的平臺，可探索高可調性相關效應。結合強庫侖相互作用、三角摩爾幾何、強自旋軌道耦合和孤立的平坦電子帶，TMD異質分子層是測試可調多體哈密頓數的理想平臺。事實上，在整數和分數莫爾微帶填充下的相關絕緣狀態已經被實驗證明了。理論上，TMD莫爾平臺提供了一個機會來研究具有三角形或六邊形幾何形狀的經典模型，以探索強相關的物理。通過改變現場庫侖相互作用U和近鄰跳變參數t，預測了具有各種絕緣態、金屬態和奇異磁態和拓撲態的多體相圖。
圖1. WS2/WSe2異質結中的磁圓二色性隨填充因子變化。a) 器件示意圖; b) PFM圖像，標尺：20 nm; c) 反射譜隨偏置電壓變化 d-e) 磁圓二色（RMCD）隨填充因子變化
近期，Xiaodong XU（美國華盛頓大學）的研究小組報道了光激發可以高度調整莫爾捕獲載流子之間的自旋-自旋相互作用，從而導致WS2/WSe2莫爾超晶格中的鐵磁順序。圖1顯示了豐富的填充因子依賴的磁光響應，在填充因子為?1時，RMCD顯示出超順磁樣響應。當空穴摻雜明顯減少（見圖1e）時，一個磁滯回線開始出現, 這是鐵磁性的標志。在?1/3的填充因子附近（即每3個莫爾晶胞中有一個空穴）附近，隨著激子共振激發功率的增加，在磁圓二色性信號中出現了一個明顯的磁滯回線。
圖2. 在填充因子為-1/3的時候對光致鐵磁性的觀察。a-b）1.6K溫度，不同激光功率下RMCD信號隨磁場變化。c-d）磁滯回線寬度與溫度的關系，激光功率103 nW。
圖2a顯示了在1.6K溫度與填充因子為-1/3的時RMCD信號與激勵光功率的關系。當功率小于16 nW時，RMCD信號與磁場之間的關系消失，表現為一條無特征的直線。當功率增加到臨界閾值以上時，出現一個滯回線。圖2b中零磁場下RMCD信號的強度隨激光功率的增加而增大，終達到飽和。在低填充因子下，由于空穴距離更大固有磁相互作用明顯較弱。因此，在分數填充因子為?1/3處出現的功率依賴的RMCD響應表明，通過光學誘導的長程自旋-自旋相互作用，出現了鐵磁序。磁滯回線寬度對光激發功率的依賴關系可以忽略不計，這意味著在溫度遠低于居里溫度時，磁回線寬度主要由磁各向異性決定。如圖2c-d所示，隨著溫度的升高磁滯回線寬度減小，有效的居里溫度被確定為8K左右。
圖3. 利用光激發功率和填充因子調節磁態。a-d) RMCD信號強度與磁場、溫度、填充因子的關系圖; 圖a-b中填充因子為-1/7.
課題組進一步在填充因子為?1/7下進行了溫度與激光功率依賴性的RMCD測量（圖3）。圖3a顯示了在不同的激光功率下的測量結果。 作者定義了一個臨界溫度Tc，超過這個溫度，RMCD的磁性響應（心跳線形狀）就會消失。以253 nW光激發為例，心跳線形狀保持強至約40K。為了進一步突出這一效應，圖3b中繪制了提取的RMCD信號振幅與激發功率和溫度的變化關系。這些數據表明，一旦光激發功率足夠大，可以引入磁序，Tc可以從20K左右的調諧到45K。觀察到的現象指出了一種機制，其中光激發激子促成了莫爾捕獲空穴之間的交換耦合。這種激子促成的相互作用可能比莫爾捕獲空穴之間的直接耦合范圍更長程，因此即使在稀空穴體系中也會出現磁序。這一發現為莫爾量子物質的豐富的多體哈密頓量增加了一個動態調諧旋鈕。
以上的結果是借助于attoDRY2100低震動無液氦磁體恒溫器獲得的，該低溫恒溫器可以與拉曼光譜、磁圓二色性、磁光克爾效應和偏振熒光測量等多種實驗技術結合使用。
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。
attoDRY2100低恒溫器溫主要技術特點：
? 應用范圍廣泛: PL/EL/ Raman/RMCD/MOKE等光譜測量
? 變溫范圍：1.8K - 300K
? 空間分辨率：< 1 mm
? 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. Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices. Nature604, 468–473 (2022)
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1、低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY
