高性能低温恒温器在磁光克尔效应研究中的应用

科研中MOKE最常用来表征材料的电子和磁学特征，例如磁畴结构、自旋态密度、磁相变动力学。在高质量纳米结构和2D材料中最新的实验进展表明，有望在集成的光子或自旋电子器件中利用磁光效应在纳米尺度上加强对光的控制。

MOKE实验需要灵活的光路与电学通道以及磁场环境。样品需要一个超稳定的低温环境并且能够调整配置以适应实验需求的多种几何光路。Cryostation基础系统与成熟的选件库可为MOKE提供多种解决方案。通过不同的搭配组合我们可以轻松实现磁光克尔效应、光磁测量、光致发光、偏振分辨测量、自旋输运与动力学、磁畴壁移动、磁阻研究、电学和高频测量、输运性质等方面的研究。以下是部分低温磁光克尔效应实验举例：

1. 纵向磁光克尔效应

在纵向MOKE的几何光路中，磁场与样品表面平行，样品中的磁畴平行于磁场方向。激光光源通过偏振器实现设定的偏振。光线通过物镜聚焦在样品感兴趣的区域上。入射光线与样品的磁畴发生相互作用使得反射光线偏振方向改变。偏振方向改变的幅度与局部磁化的强度成比例。通过仪器接收并分析反射光线的克尔转角就可以得到局部磁矩的方向和强度信息。这种测量方案所需的样品环境可以在集成了双极性电磁铁的低温恒温器中来实现，例如Cryostation与Magneto-Optic。

利用纵向克尔效应的宏观磁畴图像测量方案

2. 极向磁光克尔效应

在极向克尔几何光路中，磁场沿样品表面的发现方向（适用于面外易磁化轴样品）。此时磁化方向垂直于样品表面，为了最大化的收集信号，入射激光需要垂直照射在样品表面。与纵向克尔类似，入射激光的偏振方向在被磁性样品表面反射时会发生轻微的偏转。偏转的程度与局部磁畴的强度和方向有关。在Cryostation与Magneto-Optic装置中，与纵向克尔相比，样品旋转了90°，并且在磁极中间引入了一个小的反射镜来实现入射光线与磁场的平行以及与样品表面的垂直。

极向MOKE宏观磁畴测量方案

3. 时间分辨MOKE

可以用时间分辨（瞬态）的MOKE对脉冲磁场和脉冲电场驱动的磁畴壁移动进行动力学研究。举例来说，可以对用于磁带存储器研究的磁性纳米线中的磁畴壁移动进行测量。磁畴壁通常在预定的位置有电脉冲或磁脉冲注入纳米线。利用MOKE信号对纳米线的局部进行探测，空间分辨率可优于1um，时间分辨率可达到150fs。如果t=0时刻对应于畴壁注入，对指定区域沿纳米线进行延时脉冲扫描观察MOKE信号的变化。MOKE信号的变化对应磁畴壁移动所引起的磁性翻转。通过测量纳米线不同位置MOKE信号的变化时间可以计算出畴壁的移动速度。

时间分辨MOKE也可以用于研究自旋“群体”的寿命。利用极化的泵浦光对感兴趣的材料进行自旋激发。利用探测光进行延时扫描，MOKE信号的强弱可以计算自旋“群体”密度。自旋的“寿命”可以通过观测自旋“群体”的密度来计算。Kawakami课题组（Ohio State University）利用该方法对过渡族金属二硫化物WS2在低温（<6K）下进行了时间分辨克尔转角测量（TRKR）。对比TRKR信号与显微荧光，研究者发现强激子发光与高自旋密度之间的一种意料之外的反相关关系。这一发现为短时激子自旋角动量到长时导电电子自旋态转化提供了新的见解。

时间分辨克尔效应的原理与装置图

4. 强磁场（>1T）MOKE

华盛顿大学的Xu和Cobden 利用7T的超导磁体与低温设备，采用法拉第几何光路测量磁场对光致发光极化的影响对单层WSe2进行了研究。更多信息请阅读：Magnetic Control of Valley Pseudospin: A Story of Symmetry.

参考文献：

[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).