超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器

應用域

金剛石色心、NV色心、量子計算、量子光學、腔量子電動力學、自旋電子學、磁光克爾效應、單光子發(fā)射......

基本點

★  低溫度波動和納米的震動可為各種測量提供穩(wěn)定的實驗環(huán)境。

★  超大溫區(qū)（3.2K - 350K）與超快的變溫速度可提高實驗效率。

★  全干式系統(tǒng)，無需消耗氦氣或液氦，可很大降低實驗成本。

實用性勢

★  直觀的用戶界面和全自動控制系統(tǒng)提高了實驗效率。

★  電學和光學通道以及樣品安裝都很大地提高了實驗靈活性。

★  *集成、交鑰匙設(shè)計方案，讓您快速啟動和實現(xiàn)研究計劃。

★  桌面式設(shè)計方案，方便移動，無縫銜接現(xiàn)有的室溫實驗方案。

設(shè)備介紹

制冷系統(tǒng)

系統(tǒng)采用制冷機閉循環(huán)制冷方式，只有少量氦氣密封在系統(tǒng)內(nèi)部，日常運行無需消耗液氦或氦氣^①

★  降低成本：日常運行不消耗氦氣可在很大程度上降低試驗成本。

★  操作簡單：省去了更換氦氣瓶和監(jiān)測氦氣量等繁瑣的實驗工作。

系統(tǒng)采用變頻壓縮機，改善了實驗的能耗和性能^②

★  低能耗需求：只需單項50Hz 208-240V電力需求，無需水冷機，功率3.6KW。

★  低噪音：壓縮機采用的變頻技術(shù)在降低能耗的同時較大程度上降低了冷頭的工作噪音和震動。

系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用化的設(shè)計方案，恒溫器、樣品臺可直接固定在任何的光學桌面上^③

★  便捷性：樣品腔周圍可搭建各種光路，方便實現(xiàn)各種光路實驗方案。

★  靈活性：系統(tǒng)可安裝在英制或公制光學桌面，可與螺孔陣列平行或成45°角。

★  模塊化：無需任何額外的輔助設(shè)施，可以方便的移動設(shè)備。

系統(tǒng)控制

嵌入式程序的觸摸屏控制^④

★  全自動、化的溫度控制：簡單設(shè)定目標溫度，鍵Cooldown。

★  其他參數(shù)控制：可實現(xiàn)定制化參數(shù)控制，例如樣品腔除氣或干燥氮氣沖洗。

★  監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)：用戶界面實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)，包括溫度、溫度穩(wěn)定性、系統(tǒng)真空度等。

★  軟件記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)：方便數(shù)據(jù)的導出。

遠程控制與其他語言

★  遠程控制：用虛擬網(wǎng)絡(luò)計算(VNC)技術(shù)，可通過電腦方便地對系統(tǒng)進行遠程控制。

★  外部腳本：支持多種現(xiàn)代語言通過RESTful API腳本控件進行編程控制（Python, MATLAB, LabVIEW, C# 等）。

★  遠程診斷：工程師可以方便的通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備的故障進行診斷和排除。

系統(tǒng)與真空控制單元的*自動化流程^⑤

★  *自動化控制：系統(tǒng)在抽真空、降溫、恒溫、升溫、充氣等全過程可以自動設(shè)定化的參數(shù)。

★  完善的系統(tǒng)監(jiān)控：系統(tǒng)通過自動的過程監(jiān)控與錯誤處理保護系統(tǒng)和樣品，避免誤操作。

★  干燥氮氣清洗選件：抽真*或充氣時可以減少外界大氣環(huán)境的影響有助于快速降溫。

樣品環(huán)境

樣品的安裝和更換可直接通過取下外層（真空層）和屏蔽層的蓋子即可。

★  可選擇的實驗配置：有各種樣品安裝方案和位置控制選件可供選擇，包括光纖和RF探針組件以及用于光子探測的配置。

★  預置電學接口：系統(tǒng)為用戶提供了預置低頻電測量和額外溫度計安裝的直流電學通道。

★  擴展接口選件：通過側(cè)面板可將RF、光纖、氣體和額外的直流通道引入樣品腔。

四周和頂部的窗口方便將各方向的光路引入樣品腔。

★  靈活的光路方案：適應各種測量光路，如透射、側(cè)反射和頂部顯微鏡。

★  超高的收集效率：提供高NA與近工作距離選件。

★  光學材質(zhì)：可以輕松更換各種波長和實驗需求的窗口。

性能表現(xiàn)

多個*技術(shù)相結(jié)合，在不犧牲低溫度和制冷功率的基礎(chǔ)上化了熱穩(wěn)定性和震動穩(wěn)定性。

★  實現(xiàn)低溫度：采用有的材料和熱阻尼技術(shù)，使系統(tǒng)在給定的配置下達到盡可能低的溫度。

★  滿足震動敏感測量：采用減震技術(shù)，隔冷頭震動的同時對樣品采用剛性支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)納米的超低震動。

★  全溫區(qū)保持樣品的光路準確性：采用膨脹系數(shù)抵消式結(jié)構(gòu)，保證全溫區(qū)范圍內(nèi)樣品的超低位置漂移。

★  保證每個溫度點的穩(wěn)定性：采用主動與被動參數(shù)控制技術(shù)，使每個溫度點的溫度波動減小到傳統(tǒng)制冷機波動的二十分之。

CE認證

系統(tǒng)是非常成熟的定型化產(chǎn)品，已取得CE認證。

設(shè)備型號

標準恒溫器系列

■  Cryostation® S50低溫平臺

       S50是新型超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器的基本型號。該恒溫器具有傳統(tǒng)恒溫器不可比擬的勢。S50樣品腔具有5個光學窗口，可配置近工作距離選件。該型號是標準恒溫器系列中選件兼容性廣泛的恒溫器，可與多種選件或定制零件進行搭配以滿足各種實驗需求。

Cryostation^® S50

超震動穩(wěn)定性：樣品臺震動的峰-峰值<5nm，有效值（均方根RMS）~0.25nm。 

異的溫度性能：大的控溫范圍，3.2K-350K （無熱負載時低至<3K）；溫度穩(wěn)定性佳，在限低溫時溫度波動始終小于10mK（峰-峰值）；超快變溫速度，Cool down ~2 小時（如果配置復雜，可能長于2小時）。

■  Cryostation^® S100低溫平臺

       S100是Cryostation^®系列恒溫器為滿足較為復雜的實驗方案而推出的中型樣品腔型號。S100具有較大的樣品空間，可滿足更多的線路或高頻線路接入，可集成橫向的鏡頭，滿足橫向共聚焦光路的搭建，可集成多組位移器。該型號是標準恒溫器系列中定制化方案更靈活的型號，可以滿足配置較為復雜的低溫實驗。

Cryostation^® S100 

模塊化的接線面板：在樣品腔中提供模塊化的低溫接線面板，接線模塊可滿足多種接線類型（交、直流、射頻、光纖），大大提升了實驗的靈活性。

樣品空間：S100的樣品腔尺寸介于S50和S200之間，兼顧降溫時間和樣品腔空間，在盡量小的影響降溫速率前提下盡可能的增加了樣品空間，使用戶可以設(shè)計較為復雜的光學實驗。

光學靈活性：更大的空間意味著可以容納更多的光學元件，樣品位置也可以有更多的選擇。

■  Cryostation® S200低溫平臺

       為了使用戶有更大的空間進行復雜低溫試驗的設(shè)計，Montana Instruments研發(fā)了大型系統(tǒng)Cryostation® S200。該型號是標準恒溫器系列中的大型號。直徑196mm的樣品腔使用戶可以在低溫區(qū)域搭建復雜的光路。

Cryostation®S200

樣品臺：低溫樣品臺為帶螺孔的標準光學面包板，可以任意設(shè)計光路。

光學靈活性：9個光學窗口，支持多根光纖接入。

樣品空間：Ф196 mm樣品腔可滿足各種光學實驗需求。

集成式系統(tǒng)

■  CRYO-OPTIC^®物鏡集成系統(tǒng)

       CRYO-OPTIC^®系統(tǒng)將光學物鏡集成到Cryostation的樣品腔中，在低溫下實現(xiàn)超穩(wěn)定、高質(zhì)量的大數(shù)值孔徑成像。CRYO-OPTIC^®系統(tǒng)的設(shè)計消除了在低溫設(shè)備中使用高倍物鏡時所面臨的對準和漂移問題。

       系統(tǒng)對配件和選件具有良好兼容性，允許用戶自定義設(shè)備的具體配置以滿足*的實驗需求。可選內(nèi)置的XYZ納米位移器用于樣品定位和聚焦，可選快速變溫樣品臺，用于樣品的快速變溫控制。

性能勢

★  技術(shù)允許集成物鏡保持在室溫，確保超穩(wěn)定的位置和焦點控制。

★  對高倍物鏡和樣品的溫度進行主動控制，使其溫度穩(wěn)定性在10 mK 以內(nèi)，超高的穩(wěn)定性使其在較小的溫度變化后無需重新聚焦。

★  通過將物鏡從恒溫器和實驗室環(huán)境中分離出來，立控制，系統(tǒng)達到穩(wěn)定測量條件所需的時間大大減少。

Cryostation S50 - CO（豎直物鏡集成系統(tǒng)）

       該方案是為豎直共焦顯微鏡設(shè)計的，同時系統(tǒng)具有側(cè)面光學窗口，允許用戶看到樣品和焦距的大致調(diào)節(jié)。

■  Cryostation S100 – CO（水平物鏡集成系統(tǒng)）

       S100 - CO的水平安裝方案可與其他光學測量系統(tǒng)無縫銜接，允許快速、方便的更換樣品。*的輻射屏蔽層設(shè)計保證更換樣品的同時不改變物鏡的位置，確保物鏡始終處于光路的適合位置。

■  Cryostation S200 – CO（定制物鏡集成系統(tǒng)）

       Cryostation S200可以實現(xiàn)定制化的物鏡集成。物鏡水平安裝，與低溫面包板組成自由光路，可通過壓電位移器實現(xiàn)光路的調(diào)節(jié)。

■  MAGNETO-OPTIC（MO）磁體集成系統(tǒng)

       MAGNETO-OPTIC直接將磁體集成到低溫樣品腔中。這附加模塊不影響系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性，磁體系統(tǒng)具有*自動化的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可兼容多種選件和配件，包括內(nèi)置壓電位移器等。用戶可選擇不同配置以滿足*的實驗需求。

性能勢

★  設(shè)備安裝簡單，具有*的設(shè)計，保證便捷的樣品更換和光路便捷性。

★  自動退磁，采用震蕩歸零的方式減小電流，以消除磁場設(shè)置為零時的剩余磁場。

★  完備系統(tǒng)，系統(tǒng)包括校準霍爾探頭、電源和循環(huán)冷卻系統(tǒng)，用戶無需額外輔助設(shè)備。

■  CryoMOKE低溫磁光克爾集成系統(tǒng)

       為了滿足用戶變溫MOKE的測量需求，該系統(tǒng)結(jié)合了英國Durham 公司的NanoMOKE3系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)用MAGNETO-OPTIC的靈活性與NanoMOKE3的強大功能為用戶打造了高性能的低溫磁光克爾測量平臺。

■  CryoFMR低溫鐵磁共振集成系統(tǒng)

       Montana Instruments 為用戶提供高精度的低溫鐵磁共振集成系統(tǒng)。使得樣品可以在不同溫度、光照情況下進行鐵磁共振實驗，方便研究樣品在光激發(fā)狀態(tài)下的磁學性。該系統(tǒng)配備NanOsc Instruments AB公司的高精度鐵磁共振測試儀，并且操作簡單。

■  Cryo Mossbauer低溫穆斯堡爾集成系統(tǒng)

       Cryo Mossbauer系統(tǒng)提供完整的集成式變溫透射穆斯堡爾測量方案。Montana Instruments 采用了MS96光譜儀與Montana恒溫器的用戶友好型集成方案，設(shè)備簡單易用。兩個域的廠商確保了設(shè)備的可靠性。

應用案例

■  無褶皺超平石墨烯的變溫拉曼測量

       南京大學高力波教授、奚嘯翔教授等多個課題組合作，采用質(zhì)子輔助的CVD方法生長制備出了無褶皺的超平石墨烯。該方法成功解決了傳統(tǒng)CVD制備石墨烯過程中由于石墨烯與基質(zhì)材料強耦合作用而形成的褶皺，這為石墨烯在二維電子器件等域的應用掃除了大障礙。文章表明，在質(zhì)子輔助的CVD制備方法中，質(zhì)子能夠滲透石墨烯，對石墨烯和襯底之間的范德瓦爾斯相互作用進行去耦合，使褶皺*消失。該方法還可以對傳統(tǒng)CVD制備過程中產(chǎn)生的褶皺進行很大程度的去除。此外，通過新方法制備的超平石墨烯材料，不僅具有異的清潔能力，還在測量中展示了室溫量子霍爾效應。研究認為，質(zhì)子輔助的CVD方法不僅能制備出高質(zhì)量的石墨烯，并且對制備其他種類的納米材料具有普適性，為制備高質(zhì)量的二維材料提供了種新途徑。相關(guān)成果發(fā)表在Nature。

       值得提的是，文章中對樣品進行了高質(zhì)量的變溫Raman測量（南京大學物理學院奚嘯翔教授通過Montana Instruments公司生產(chǎn)的Cryostation®系列高性能恒溫器與普林斯頓光譜儀聯(lián)合測量完成。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)表明了基于Cryostation系列恒溫器的變溫拉曼具有非常異且穩(wěn)定的性能。），清晰的展示了不同制備與處理條件的石墨烯G峰和2D峰隨溫度變化的峰位移動。揭示了石墨烯與襯底之間相互作用的強弱以及石墨烯受到的應力大小。

       目前由Montana Instruments公司與Princeton Instruments聯(lián)合開發(fā)的超精細變溫顯微拉曼系統(tǒng)——microReveal RAMAN已經(jīng)正式銷售。該集成式系統(tǒng)實現(xiàn)了變溫拉曼的化測量，省去了自己搭建變溫拉曼的繁瑣過程。該系統(tǒng)根據(jù)不同的應用可以實現(xiàn)4K-350K（500K可選）大溫區(qū)范圍內(nèi)的拉曼光譜與成像、熒光光譜與成像、吸收光譜、電學測量和光電輸運測量等多種功能。

參考文獻：

[1] Yuan, G., Lin, D., Wang, Y. et al. Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films. Nature 577, 204–208 (2020)

■  金剛石NV色心研究

       金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers） 近年來在科研界被高度關(guān)注。NV色心*且穩(wěn)定的光學性使其擁有廣泛的應用前景。在量子信息域，NV色心可以作為單光子源用于量子計算。NV色心作為具有量子敏感度的傳感設(shè)備，還可應用于納米尺度磁場、電場、溫度、壓力的探測。在生物學域，NV色心是的生物標識物，具有光學性能穩(wěn)定，細胞毒性低的點。

       Montana Instruments開發(fā)的低溫恒溫器門針對NV色心域研究需要而進行化，掃除了科研人員進入NV色心研究域的障礙。以下是低溫(4K)NV色心研究的實驗方案舉例。

1. 總體NV色心信號收集實驗

       將磁性樣品覆蓋在表面具有較多的NV色心的塊體金剛石襯底上。這個NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來實現(xiàn)。通常采用532nm的激光激發(fā)NV色心到激發(fā)態(tài)，并在630-800nm波長范圍收集熒光信號。同時用微波信號激發(fā)和探測NV色心的自旋態(tài)（ESR）。熒光信號由二維的CCD探測陣列收集成像并與樣品相對應。與單個NV色心的研究不同，該實驗方案采用大工作距離獲得大視野范圍的成像，從而實現(xiàn)大面積信號的采集。

CCD與顯微鏡成像

2. 單個NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

       納米金剛石的單個NV色心探測可以通過共聚焦顯微技術(shù)來實現(xiàn)。實驗裝置包括三維低溫納米位移臺，Z方向可以調(diào)整樣品到焦平面，XY可以對樣品表面進行掃描。Montana Instruments設(shè)計方案可以采用高數(shù)值孔徑物鏡對4K的樣品中的單個NV色心進行測量。系統(tǒng)的收集效率高、光斑直徑小，輕松聚焦單個NV色心。采用532nm激光激發(fā)，對630nm-800nm范圍的熒光信號進行采集。采用可調(diào)的微波信號對NV色心的自旋態(tài)進行激發(fā)，通過熒光信號的峰值位移來確定其自旋態(tài)。為了研究感興趣的區(qū)域，通常將金剛石粉末（20-30nm）均勻的撒在樣品表面，然后使用三維納米位移臺來掃描樣品并且對定NV色心進行測量。并且可以通過單個NV色心實現(xiàn)在較大溫度范圍內(nèi)對樣品的性質(zhì)進行觀測。

                                                        掃描共聚焦顯微鏡

       Tokura課題組成功的運用此技術(shù)研究了FeGe樣品中的磁渦旋結(jié)構(gòu)。實驗細節(jié)請參考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

3. 掃描探針量子探測器(例如，掃描磁力顯微鏡)

       我們將個NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端。可以通過在針尖上“粘貼”納米金剛石，或采用納米壓印與O₂刻蝕技術(shù)將塊體金剛石加工成再用N-14注入來實現(xiàn)NV色心，現(xiàn)在甚至已經(jīng)有商業(yè)化的針尖。采用共聚焦顯微鏡將激發(fā)光聚焦在掃描探針的NV色心上。樣品可以通過低溫納米位移臺進行掃描。這樣便實現(xiàn)了對樣品表面的納米精度大范圍成像測量。該技術(shù)理論上可以對多種與NV色心熒光相關(guān)的性進行高精度顯微學測量。

                                                      掃描探針顯微鏡

Jayich課題組 (UCSB)運用這技術(shù)在BaFe2(As0.7P0.3)2 超導材料的轉(zhuǎn)變溫度附近（30K）成功觀測到了vortices。這技術(shù)在研究材料低溫下的新奇性質(zhì)方面前景廣闊。更多細節(jié)請參考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

■  高性能低溫恒溫器在量子計算中的應用

       Cryostation^®低溫恒溫器系統(tǒng)可為量子計算相關(guān)研究提供多種解決方案，豐富的可選配置與配件可以滿足各種實驗的需求，諸如離子阱、超導環(huán)、NV色心的高數(shù)值孔徑熒光觀測等。根據(jù)具體實驗需求Montana Instruments可以提供適合的配置方案。

量子計算實驗案例：RF離子阱

        配置方案：高數(shù)值孔徑熒光讀出、多光學通道用于激光制冷、RF+DC電學通道用于制造qiujin勢阱。

       作為該實驗方案的核心，離子阱量子計算包括N個qiujin離子。離子可以被qiujin在泡（RF）阱或彭寧（磁場）阱中，每個qiujin離子具有兩個態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)。這里我們簡單討論泡阱的情況，實驗上泡阱是通過在樣品上印制組具有殊幾何形狀的RF電產(chǎn)生限制電勢實現(xiàn)的。在設(shè)計好勢阱后我們通過激光燒蝕襯底產(chǎn)生個待qiujin的離子（常用137Yb+），采用多普勒或Sisyphus冷卻方案用激光將高度激發(fā)狀態(tài)的離子冷卻至量子態(tài)。后再將離子導入精心設(shè)計的勢阱中。

       待離子進入勢阱中，將他們在空間上隔開幾微米的距離，每個離子代表個量子比。量子比通過庫倫相互作用影響量子比的集體震蕩來實現(xiàn)耦合。每個量子比都通過與庫倫勢的“平行”或“反平行”將自己的局部態(tài)編碼進集體震動。這樣每個在維鏈上的量子比都實現(xiàn)了與其他每個量子比的耦合。

       量子計算的通用“門”操作（CROT, SWAP以及內(nèi)部量子比態(tài)的任意翻轉(zhuǎn)）可以通過對量子比光激發(fā)來實現(xiàn)。對于137YB+離子鏈，波長為355nm。激光源的穩(wěn)定性尤為重要，激發(fā)頻率與電子的共振頻率要匹配（10KHz或更好），以防止其他臨近態(tài)的激發(fā)。紫外激光由于具有合適的波長與合適的頻率穩(wěn)定性常被用于半導體材料的維納加工，現(xiàn)在也成為量子計算的上佳選擇。

       量子比在經(jīng)過系列量子算法的門操作后的量子態(tài)可以被讀出。qiujin離子的量子態(tài)讀出是通過測量與量子態(tài)相關(guān)的熒光實現(xiàn)的。目前的研究通常用高數(shù)值孔徑的顯微鏡可以實現(xiàn)10%左右的收集效率。未來的量子計算可能會通過集成光學微腔的方案來提高熒光光子的收集效率，預計可以大于50%。該集成技術(shù)也可以推動可拓展與重構(gòu)的量子計算電路發(fā)展。

總的來說，設(shè)計和操縱個可靠的離子阱量子計算機需要1、穩(wěn)定的激光源與頻率控制。2、有效且控制良好的RF電勢來定位與控制qiujin離子。3、數(shù)字控制的空間分辨率很高的脈沖激光來制備、測量、操縱量子比。4、量子態(tài)的可靠探測與讀出。

Montana Instruments與科研人員共同設(shè)計的離子阱量子計算機

MI恒溫器與集成式單光子探測器有望提高離子阱的量子態(tài)讀出

參考文獻：

[1] ohnson, K. G. et al. Active Stabilization of Ion Trap Radiofrequency Potentials. Review of Scientific Instruments 87, 53110 (2016).

[2] Brown, K. R., Kim, J. & Monroe, C. Co-Designing a Scalable Quantum Computer with Trapped Atomic Ions. npj Quantum Information 16034 (2016).

[3] Debnath, S. et al. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature 536, 63–66 (2016).

[4] Steane, A. M. The Ion Trap Quantum Information Processor. Applied Physics B: Lasers and Optics 64, 623–643 (1997).

[5] Faraz Najafi et al. On-chip detection of non-classical light by scalable integration of single-photon detectors. Nat. commun,6:5873, 2015

■  高性能低溫恒溫器在自旋電子學中的應用

       科研中MOKE常用來表征材料的電子和磁學征，例如磁疇結(jié)構(gòu)、自旋態(tài)密度、磁相變動力學。在高質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)和2D材料中新的實驗進展表明，有望在集成的光子或自旋電子器件中用磁光效應在納米尺度上加強對光的控制。

       MOKE實驗需要靈活的光路與電學通道以及磁場環(huán)境。樣品需要個超穩(wěn)定的低溫環(huán)境并且能夠調(diào)整配置以適應實驗需求的多種幾何光路。Cryostation基礎(chǔ)系統(tǒng)與成熟的選件庫可為MOKE提供多種解決方案。通過不同的搭配組合我們可以輕松實現(xiàn)磁光克爾效應、光磁測量、光致發(fā)光、偏振分辨測量、自旋輸運與動力學、磁疇壁移動、磁阻研究、電學和高頻測量、輸運性質(zhì)等方面的研究。以下是部分低溫磁光克爾效應實驗舉例：

1. 縱向磁光克爾效應

       在縱向MOKE的幾何光路中，磁場與樣品表面平行，樣品中的磁疇平行于磁場方向。激光光源通過偏振器實現(xiàn)設(shè)定的偏振。光線通過物鏡聚焦在樣品感興趣的區(qū)域上。入射光線與樣品的磁疇發(fā)生相互作用使得反射光線偏振方向改變。偏振方向改變的幅度與局部磁化的強度成比例。通過儀器接收并分析反射光線的克爾轉(zhuǎn)角就可以得到局部磁矩的方向和強度信息。這種測量方案所需的樣品環(huán)境可以在集成了雙性電磁鐵的低溫恒溫器中來實現(xiàn)，例如Cryostation與Magneto-Optic。

        用縱向克爾效應的宏觀磁疇圖像測量方案

2. 向磁光克爾效應

       在向克爾幾何光路中，磁場沿樣品表面的發(fā)現(xiàn)方向（適用于面外易磁化軸樣品）。此時磁化方向垂直于樣品表面，為了大化的收集信號，入射激光需要垂直照射在樣品表面。與縱向克爾類似，入射激光的偏振方向在被磁性樣品表面反射時會發(fā)生輕微的偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的程度與局部磁疇的強度和方向有關(guān)。在Cryostation與Magneto-Optic裝置中，與縱向克爾相比，樣品旋轉(zhuǎn)了90°，并且在磁中間引入了個小的反射鏡來實現(xiàn)入射光線與磁場的平行以及與樣品表面的垂直。

向MOKE宏觀磁疇測量方案

3. 時間分辨MOKE

       可以用時間分辨（瞬態(tài)）的MOKE對脈沖磁場和脈沖電場驅(qū)動的磁疇壁移動進行動力學研究。舉例來說，可以對用于磁帶存儲器研究的磁性納米線中的磁疇壁移動進行測量。磁疇壁通常在預定的位置有電脈沖或磁脈沖注入納米線。用MOKE信號對納米線的局部進行探測，空間分辨率可于1um，時間分辨率可達到150fs。如果t=0時刻對應于疇壁注入，對區(qū)域沿納米線進行延時脈沖掃描觀察MOKE信號的變化。MOKE信號的變化對應磁疇壁移動所引起的磁性翻轉(zhuǎn)。通過測量納米線不同位置MOKE信號的變化時間可以計算出疇壁的移動速度。

       時間分辨MOKE也可以用于研究自旋“群體”的壽命。用化的泵浦光對感興趣的材料進行自旋激發(fā)。用探測光進行延時掃描，MOKE信號的強弱可以計算自旋“群體”密度。自旋的“壽命”可以通過觀測自旋“群體”的密度來計算。Kawakami課題組（Ohio State University）用該方法對過渡族金屬二硫化物WS2在低溫（<6K）下進行了時間分辨克爾轉(zhuǎn)角測量（TRKR）。對比TRKR信號與顯微熒光，研究者發(fā)現(xiàn)強激子發(fā)光與高自旋密度之間的種意料之外的反相關(guān)關(guān)系。這發(fā)現(xiàn)為短時激子自旋角動量到長時導電電子自旋態(tài)轉(zhuǎn)化提供了新的見解。

時間分辨克爾效應的原理與裝置圖

4. 強磁場（>1T）MOKE

       華盛頓大學的Xu和Cobden 用7T的超導磁體與低溫設(shè)備，采用法拉第幾何光路測量磁場對光致發(fā)光化的影響對單層WSe2進行了研究。更多信息請閱讀：Magnetic Control of Valley Pseudospin: A Story of Symmetry.

參考文獻：

[1] Durham Magneto Optics Ltd & Beguivin, A. Characterization of the Montana Instruments Cryostation C2 for low temperature Magneto-Optical Kerr Effect measurements using the NanoMOKE 3.

[2] Bushong, E. J. et al. Imaging Spin Dynamics in Monolayer WS2 by Time-Resolved Kerr Rotation Microscopy. arXiv:1602.03568 [cond-mat] (2016).

[3] Aivazian, G. et al. Magnetic Control of Valley Pseudospin in Monolayer WSe2. Nature Physics 11, 148–152 (2015).

[4] Henn, T. et al. Ultrafast supercontinuum fiber-laser based pump-probe scanning MOKE microscope for the investigation of electron spin dynamics in semiconductors at cryogenic temperatures with picosecond time and micrometer spatial resolution. Review of Scientific Instruments 84, 123903 (2013).

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