2020年疫情發(fā)生以來對(duì)社會(huì)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(jìn)的腳步，而且國內(nèi)外很多課題組都取得了不錯(cuò)的科研成果。本文我們將概述疫情期間在低溫光學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方面幾個(gè)代表性科研成果。

1、三角晶格反鐵磁性材料Fe_1/3NbS₂中的三態(tài)向列性

將反鐵磁體(AFMs)應(yīng)用于自旋電子學(xué)是近年來材料學(xué)研究的重點(diǎn)課題之，它有望獲得更快響應(yīng)、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(xué)物理系的Joseph Orenstein團(tuán)隊(duì)采用空間分辨光學(xué)偏振測(cè)量技術(shù)對(duì)Fe_1/3NbS₂晶體進(jìn)行變溫測(cè)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(cè)量了向列性疇對(duì)溫度的敏感性。這發(fā)現(xiàn)說明反鐵磁材料在類液晶方面具有定的應(yīng)用前景，對(duì)于新型材料的開發(fā)具有重要意義。

熱調(diào)制偏振旋轉(zhuǎn)測(cè)量的坐標(biāo)圖與雙折射圖。a, 樣品不同區(qū)域的δ?表示樣品旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的破缺；b, 500 μm*900 μm 區(qū)域的雙折射圖，顯示了三個(gè)不同的向列性疇，其光學(xué)軸彼此夾角為120度^[1]

從實(shí)驗(yàn)角度來講，進(jìn)行空間分辨的高精度變溫光學(xué)偏振測(cè)量對(duì)于低溫設(shè)備要求較為苛刻。，低溫設(shè)備應(yīng)具有超低震動(dòng)和超高的位置穩(wěn)定性；其次，設(shè)備應(yīng)具有較近的工作距離，以方便進(jìn)行高數(shù)值孔徑測(cè)量。在本篇文章中作者強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)采用了Montana Instruments生產(chǎn)的光學(xué)恒溫器，系統(tǒng)配備了近工作距離窗口。用此光學(xué)恒溫器作者非常方便的搭建了室溫物鏡的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，得到了數(shù)據(jù)質(zhì)量很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Montana光學(xué)恒溫器系統(tǒng)，為低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的低溫設(shè)備，上圖為S50型恒溫器系統(tǒng)

2、同位素碳化硅中單個(gè)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的來源。在這項(xiàng)工作中，芝加哥大學(xué)David D. Awschalom通過在碳化硅(SiC)中控制單個(gè)的²⁹Si核自旋，在個(gè)具有光學(xué)活性的空位自旋和強(qiáng)耦合的核寄存器之間創(chuàng)造了個(gè)糾纏態(tài)。此外，作者還展示了如何用SiC的同位素加工來實(shí)現(xiàn)弱耦合核自旋的控制，并提出了種First-Principles計(jì)算方法來預(yù)測(cè)至同位素分?jǐn)?shù)，使可用核存儲(chǔ)器的數(shù)量至大化。總的來說，作者展示了在固態(tài)系統(tǒng)中控制核環(huán)境的重要性，實(shí)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(qiáng)耦合核自旋，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考原文^[2]

該工作中對(duì)于單光子的觀測(cè)，作者使用了Montana Instruments生產(chǎn)的S100型光學(xué)恒溫器。實(shí)驗(yàn)中采用了數(shù)值孔徑0.85的物鏡與單模光纖耦合的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。S100系統(tǒng)較大的樣品空間為該實(shí)驗(yàn)提供了穩(wěn)定的低溫環(huán)境。S100型光學(xué)恒溫器是為中等尺寸低溫環(huán)境需求而門設(shè)計(jì)的型號(hào)，相對(duì)于S50型恒溫器可以容納更多的光學(xué)組件和裝置，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的光學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。

Montana S100型光學(xué)恒溫器，可滿足更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案，可集成物鏡

3、扭曲WSe₂/WSe₂雙層膜中電調(diào)控自旋谷動(dòng)力學(xué)

不同于傳統(tǒng)材料，范德華異質(zhì)結(jié)材料中的扭轉(zhuǎn)自由度為電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的研究提供了個(gè)新的工具。哈佛大學(xué)物理系的Mikhail D. Lukin與Hongkun Park團(tuán)隊(duì)證明了在過渡金屬二硫系化合物雙層膜中扭轉(zhuǎn)兩層材料的角度可以改變兩層中自旋谷的動(dòng)量排列，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋谷性的控制。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(chǎng)和磁場(chǎng)下表現(xiàn)出高度的圓偏振（DOCP>60%）和較長(zhǎng)的谷壽命(>40 ns)。并且通過靜電摻雜可以對(duì)谷壽命實(shí)現(xiàn)超過3個(gè)數(shù)量的調(diào)控，也可實(shí)現(xiàn)DOCP從n摻雜狀態(tài)的80%到p摻雜狀態(tài)的5%的調(diào)節(jié)。這些結(jié)果為可調(diào)手性光-物質(zhì)相互作用開辟了新的途徑，使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(jié)構(gòu)a，布里淵區(qū)對(duì)齊和扭曲的側(cè)視圖；b，裝置的示意圖和光學(xué)圖片；c，不同扭轉(zhuǎn)角度樣品偏振PL光譜圖，X1為層間激發(fā)，X0為層內(nèi)激發(fā)；d，由c圖計(jì)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(xué)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(xué)測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，可以直接將室溫的實(shí)驗(yàn)方案平移到低溫環(huán)境中。

Montana光學(xué)恒溫器具有十分廣泛的兼容性可以滿足各種光學(xué)測(cè)量，上圖為變溫拉曼系統(tǒng)舉例

2020年至今，國內(nèi)外的Montana光學(xué)恒溫器用戶發(fā)表了數(shù)篇論文，之前我們已報(bào)道過我國南京大學(xué)奚嘯翔教授發(fā)表在nature等^{[4, 5]}期刊上的變溫拉曼工作，同時(shí)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)。看來肆虐的疫情也不能阻擋Montana光學(xué)恒溫器用戶的科研步伐。正所謂，科研只爭(zhēng)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(xiàn)：

[1]. Arielle Little et al, Three-state nematicity in the triangular lattice antiferromagnet Fe_1/3NbS₂, Nature Materials 19, 1062–1067 (2020)

[2]. Alexandre Bourassa et al, Entanglement and control of single nuclear spins in isotopically engineered silicon carbide, Nature Materials 19, 1319–1325(2020)

[3]. Giovanni Scuri et al, Electrically Tunable Valley Dynamics in Twisted WSe₂/WSe₂ Bilayers, Physical Review Letters, 124, 217403 (2020)

[4]. Guowen Yuan et al, Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films, Nature volume 577, 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 Communications 11, 2406 (2020)