自旋極化子直接觀測！無液氦磁體恒溫器助力一篇Nature Physics

　　文章名稱：Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system

　　期刊：Nature Physics

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02434-y

　　研究動態

　　電子的動能在磁性中起著關鍵的作用。虛擬電子跳變促進了絕緣體中的反鐵磁性，而真正的跳變過程通常有利于鐵磁性。然而，在動力學受挫系統中，如空穴摻雜三角晶格莫特絕緣子，真正的跳變反而被證明有利于反鐵磁性。動力學挫折也被預測會誘發一種新的準粒子，一種摻雜空穴的束縛態的狀態被稱為自旋極化子，是一種不尋常的金屬態。針對此問題，美康奈爾大學的Kin Fai Mak教授團隊利用低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100報道了三角形晶格MoTe₂/WSe₂雙層中自旋極化子的直接觀測。相關研究內容以《Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system》為題，在國際SCI期刊《Nature Physics》上發表。

　　文中使用的低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100（圖1）是由德國attocube公司研發的一款干式閉循環低溫強磁場恒溫器。系統可提供1.8K到室溫的變溫環境，具有極低的震動噪音，已在國內外課題組廣泛應用于量子通信、量子點發光、半導體材料、二維材料等研究領域。針對典型實驗需求，該產品設計了幾種標準顯微鏡方案方便用戶進行拉曼、熒光等常見的測量手段對材料進行光-電-磁物理性質的變溫與變磁場環境測量。

圖1. 低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100- 可以選配低溫拉曼顯微鏡，低溫AFM，低溫雙軸旋轉臺等配置。

　　研究進展

　　該課題組選擇AB堆疊的MoTe₂/WSe₂雙層材料，其中摩爾周期約為5 nm（見圖2）?？茖W家使用雙門控器件結構（如圖2c所示）來控制載流子密度ν和跨莫爾雙分子層的垂直電場E，E > 0可以打開半導體-金屬觸點。早期的研究表明，只要低于0.6Vnm^?1，兩層的最高摩爾價帶就能很好地分離，實現單帶哈伯德模型圖。實驗中重點關注了E=0.5Vnm^?1，在這個區域的其他電場中也觀察到類似的結果。圖2d，e分別顯示了莫爾雙分子層的反射率對比度（RC）和MCD光譜的填充依賴關系。在1.1-1.2eV的能量范圍內，可以識別出MoTe₂中層內摩爾激子對應的三個共振。

圖2：實驗體系構建。a在完全自旋極化背景下（藍色點表示自旋排列）的空穴（白點）的動力學挫折。b自旋極化子的傳播（摻雜空穴的束縛態和自旋的翻轉，用虛線橢圓表示）沒有被阻止。c為帶有石墨/h-BN柵的雙門控ab堆疊MoTe₂/WSe₂雙層示意圖。d，e為磁場為0.6 T時的光學反射率對比RC (d)和磁圓二色MCD (e)隨著填充因子ν變化的光譜數據。

　　圖3a顯示了在1.6 K下，具有代表性填充因子的樣品MCD信號的磁場依賴性結果。電子摻雜的莫特絕緣子（ν = 1.1）的行為類似于莫特絕緣子（ν = 1），MCD隨場的增加而不斷增加，直到在2T左右達到完全飽和。相比之下，對于空穴摻雜（ν < 1），MCD在2-4T的中間場中出現平臺，然后達到完全飽和。圖3b中MCD的數值場導數更好地說明了這一點。當ν接近1時，平臺MCD越來越接近完全飽和的MCD，不再是可識別的。在較低的填充因子（ν = 0.74）下，中間平臺被抹去，導致MCD持續增加，直到4T左右達到完全飽和。

圖3：中間磁化平臺。a，b: 樣品MCD與MCD倒數信號在有代表性的填充因素下的磁場依賴性。在2T和4T之間，填充因子在0.8和1之間觀察到中間MCD平臺。ν=的0.91和0.89為兩個例子。中間的MCD平臺在MCD導數中表現為一個局部最小值。虛線表示平臺的兩端，飽和場B_s和超磁過渡場B_m。

　　該實驗發現在低溫下2到4T的場中存在一個磁化平臺，空穴摻雜到x≈0.2。這里觀察到的平臺與磁絕緣體中玻色子粒子結晶引起的平臺不同，其中磁化平臺只能取飽和磁化強度的相應分數值。這里，我們考慮帶有流動載流子的摻雜莫特絕緣子；磁化平臺只依賴于摻雜密度，可以取飽和磁化的任何連續分數。以上觀測結果與預測的自旋極化子相完全一致，它由一個孔與一個自旋翻轉完全結合，具有相同的空穴和自旋翻轉密度。

圖4 動力學磁性和動力學挫折。a， b，ν=0.91(a)和ν = 1.00的MCD的磁場依賴性。c，在兩個具有代表性的填充因子下的溫度依賴性，反MCD的斜率遵循居里-韋斯定律，χ?1∝T?θ（實線），其中θ是提取的居里-韋斯溫度。d，填充因子依賴的θ。

　　該團隊所有的光學測量均使用低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100。通過將樣品的反射光譜與在重摻雜器件上測量的參考光譜進行比較，得到了反射對比譜。MCD光譜定義為（R⁺?R^-）/（R⁺+R^?），其中R⁺和R^?表示左右圓偏振光的反射強度。文章中的研究結果將使探索自旋極化子贗隙金屬、自旋極化子配對和三角形晶格莫爾材料中的其他新現象成為可能。

　　attocube低震動無液氦磁體與恒溫器

　　低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100已經在北京大學，半導體所，清華大學，南京大學，復旦大學等單位順利運行，持續助力各個課題組的科研工作。圖5為常見的的低溫強磁場拉曼顯微鏡，該系統集成成熟拉曼顯微鏡，配置attocube特有的低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺，可以實現對常見二維材料，量子點，納米線等微納尺度材料的低溫拉曼，熒光光譜，光電流等光電磁學性質測量。今年三月份，德國attocube公司推出了用于超靈敏SPM測量的全新超低振動低溫恒溫器attoDRY2200。該系統已經在英國、德國、中國等國家進行安裝與運行，助力全球用戶進行NV色心成像研究。

圖5：常見配置-低溫強磁場拉曼顯微鏡。

　　attoDRY2100主要技術特點：

　　? 超低振動、基于脈沖管的閉環低溫恒溫器，專為掃描探針顯微鏡應用而設計

　　? 磁場范圍：0~9T ( 可選12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體等)

　　? 寬溫度范圍：1.8 K~300 K

　　? 通過 eNSPIRE 電子設備進行自動化控制，實時繪圖，多功能接口

　　? 可選顯微鏡：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接觸式與非接觸式）, CFM

　　? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

　　? 掃描范圍: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

　　? 商業化探針

　　? 可集成升級 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

　　? 全新升級款：用于超靈敏SPM測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

圖6：用于超靈敏 SPM 測量的超低振動低溫恒溫器attoDRY2200

　　低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY2100 部分發表文獻：

• Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics20,  783–787 (2024)

• Kin Fai Mak, et al. Optical readout of the chemical potential of two-dimensional electrons. Nature Photonics18,  344–349 (2024)

• Kin Fai Mak, et al. Valley-Coherent Quantum Anomalous Hall State in AB-Stacked MoTe₂/WSe₂Bilayers. Phys. Rev. X14, 011004 2024

• Kin Fai Mak, et al. Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice. Nature Physics20, 275–280 (2024)

• Feng JIN, et al.π Phase Interlayer Shift and Stacking Fault in the Kagome Superconductor CsV₃Sb₅. Phys. Rev. Lett.132, 066501, 2024

• Yang XU,  et al. Observation of Rydberg moiré excitons. Science380, 1367–1372 (2023).

• Yu YE, et al. Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime. Nature Communications14: 5966 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe₂, Nature622, 63–68 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry, Science381, 325–330 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect, Nature622, 74-79 (2023)

　　低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY 部分國內用戶單位：

　　相關產品

　　1、低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRYhttp://www.dongsenyule.com/product/2020022116.shtml2、低溫強磁場拉曼顯微鏡-cryoRamanhttps://user.caigou.com.cn/view/ProductList.html