自旋极化子直接观测！无液氦磁体恒温器助力一篇Nature Physics

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

期刊：Nature Physics

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02434-y

研究动态

电子的动能在磁性中起着关键的作用。虚拟电子跳变促进了绝缘体中的反铁磁性，而真正的跳变过程通常有利于铁磁性。然而，在动力学受挫系统中，如空穴掺杂三角晶格莫特绝缘子，真正的跳变反而被证明有利于反铁磁性。动力学挫折也被预测会诱发一种新的准粒子，一种掺杂空穴的束缚态的状态被称为自旋极化子，是一种不寻常的金属态。针对此问题，美康奈尔大学的Kin Fai Mak教授团队利用低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100报道了三角形晶格MoTe₂/WSe₂双层中自旋极化子的直接观测。相关研究内容以《Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system》为题，在国际SCI期刊《Nature Physics》上发表。

文中使用的低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100（图1）是由德国attocube公司研发的一款干式闭循环低温强磁场恒温器。系统可提供1.8K到室温的变温环境，具有极低的震动噪音，已在国内外课题组广泛应用于量子通信、量子点发光、半导体材料、二维材料等研究领域。针对典型实验需求，该产品设计了几种标准显微镜方案方便用户进行拉曼、荧光等常见的测量手段对材料进行光-电-磁物理性质的变温与变磁场环境测量。

图1. 低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100- 可以选配低温拉曼显微镜，低温AFM，低温双轴旋转台等配置。

研究进展

该课题组选择AB堆叠的MoTe₂/WSe₂双层材料，其中摩尔周期约为5 nm（见图2）。科学家使用双门控器件结构（如图2c所示）来控制载流子密度ν和跨莫尔双分子层的垂直电场E，E > 0可以打开半导体-金属触点。早期的研究表明，只要低于0.6Vnm⁻¹，两层的最高摩尔价带就能很好地分离，实现单带哈伯德模型图。实验中重点关注了E=0.5Vnm⁻¹，在这个区域的其他电场中也观察到类似的结果。图2d，e分别显示了莫尔双分子层的反射率对比度（RC）和MCD光谱的填充依赖关系。在1.1-1.2eV的能量范围内，可以识别出MoTe₂中层内摩尔激子对应的三个共振。

图2：实验体系构建。a在完全自旋极化背景下（蓝色点表示自旋排列）的空穴（白点）的动力学挫折。b自旋极化子的传播（掺杂空穴的束缚态和自旋的翻转，用虚线椭圆表示）没有被阻止。c为带有石墨/h-BN栅的双门控ab堆叠MoTe₂/WSe₂双层示意图。d，e为磁场为0.6 T时的光学反射率对比RC (d)和磁圆二色MCD (e)随着填充因子ν变化的光谱数据。

图3a显示了在1.6 K下，具有代表性填充因子的样品MCD信号的磁场依赖性结果。电子掺杂的莫特绝缘子（ν = 1.1）的行为类似于莫特绝缘子（ν = 1），MCD随场的增加而不断增加，直到在2T左右达到完全饱和。相比之下，对于空穴掺杂（ν < 1），MCD在2-4T的中间场中出现平台，然后达到完全饱和。图3b中MCD的数值场导数更好地说明了这一点。当ν接近1时，平台MCD越来越接近完全饱和的MCD，不再是可识别的。在较低的填充因子（ν = 0.74）下，中间平台被抹去，导致MCD持续增加，直到4T左右达到完全饱和。

图3：中间磁化平台。a，b: 样品MCD与MCD倒数信号在有代表性的填充因素下的磁场依赖性。在2T和4T之间，填充因子在0.8和1之间观察到中间MCD平台。ν=的0.91和0.89为两个例子。中间的MCD平台在MCD导数中表现为一个局部最小值。虚线表示平台的两端，饱和场B_s和超磁过渡场B_m 。

该实验发现在低温下2到4T的场中存在一个磁化平台，空穴掺杂到x≈0.2。这里观察到的平台与磁绝缘体中玻色子粒子结晶引起的平台不同，其中磁化平台只能取饱和磁化强度的相应分数值。这里，我们考虑带有流动载流子的掺杂莫特绝缘子；磁化平台只依赖于掺杂密度，可以取饱和磁化的任何连续分数。以上观测结果与预测的自旋极化子相完全一致，它由一个孔与一个自旋翻转完全结合，具有相同的空穴和自旋翻转密度。

图4 动力学磁性和动力学挫折。a， b，ν=0.91(a)和ν = 1.00的MCD的磁场依赖性。c，在两个具有代表性的填充因子下的温度依赖性，反MCD的斜率遵循居里-韦斯定律，χ−1∝T−θ（实线），其中θ是提取的居里-韦斯温度。d，填充因子依赖的θ。

该团队所有的光学测量均使用低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100。通过将样品的反射光谱与在重掺杂器件上测量的参考光谱进行比较，得到了反射对比谱。MCD光谱定义为（R⁺−R^-）/（R⁺+R⁻），其中R⁺和R⁻表示左右圆偏振光的反射强度。文章中的研究结果将使探索自旋极化子赝隙金属、自旋极化子配对和三角形晶格莫尔材料中的其他新现象成为可能。

attocube低震动无液氦磁体与恒温器

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 已经在北京大学，半导体所，清华大学，南京大学，复旦大学等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的的低温强磁场拉曼显微镜，该系统集成成熟拉曼显微镜，配置attocube特有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台，可以实现对常见二维材料，量子点，纳米线等微纳尺度材料的低温拉曼，荧光光谱，光电流等光电磁学性质测量。今年三月份，德国attocube公司推出了用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。该系统已经在英国，德国，中国等国家进行安装与运行，助力全球用户进行NV色心成像研究。

图5：常见配置-低温强磁场拉曼显微镜。

attoDRY2100主要技术特点：

☛ 超低振动、基于脉冲管的闭环低温恒温器，专为扫描探针显微镜应用而设计

☛ 磁场范围：0~9T ( 可选12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体等)

☛ 宽温度范围：1.8 K~300 K

☛ 通过 eNSPIRE 电子设备进行自动化控制，实时绘图，多功能接口

☛ 可选显微镜：AFM/CFM(NV色心研究），AFM（接触式与非接触式）, CFM

☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm³

☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

☛ 商业化探针

☛ 可集成升级 MFM，PFM, ct-AFM, cryoRAMAN, atto3DR等功能

☛ 全新升级款：用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

图6：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY2100 部分发表文献：

• Kin Fai Mak, et al. Observation of spin polarons in a frustrated moiré Hubbard system. Nature Physics  20,  783–787 (2024)

• Kin Fai Mak, et al. Optical readout of the chemical potential of two-dimensional electrons. Nature Photonics 18,  344–349 (2024)

• Kin Fai Mak, et al. Valley-Coherent Quantum Anomalous Hall State in AB-Stacked MoTe₂/WSe₂ Bilayers. Phys. Rev. X 14, 011004 2024

• Kin Fai Mak, et al. Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice. Nature Physics 20, 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. Science 380, 1367–1372 (2023).

• Yu YE, et al. Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime. Nature Communications  14: 5966 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe₂, Nature 622, 63–68 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry, Science 381, 325–330 (2023)

• Xiaodong XU, et al. Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect, Nature 622, 74-79 (2023)

低震动无液氦磁体与恒温器-attoDRY 部分国内用户单位：