磁場(chǎng)對(duì)量子材料中電子的運(yùn)動(dòng)有很大影響。在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，二維電子系統(tǒng)將表現(xiàn)出量子化的霍爾導(dǎo)電性、手性邊緣電流以及被稱為磁等離子體和磁激子的特殊集體模式。然而迄今為止，在電荷中性樣品中產(chǎn)生這些傳播的集體模式并在其固有的納米尺度范圍對(duì)其進(jìn)行成像和表征在實(shí)驗(yàn)上一直頗具挑戰(zhàn)。

石墨烯中狄拉克磁激子的研究

美國紐約州立石溪大學(xué)(Stony-Brook University) Mengkun Liu研究團(tuán)隊(duì)，利用基于超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool自主搭建的低溫磁場(chǎng)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，在納米尺度上觀測(cè)到了傳播的磁激子極化激元，并報(bào)道了在近電荷中性石墨烯中的磁場(chǎng)可調(diào)色散。對(duì)這些集體模式及其相關(guān)的納米電光響應(yīng)進(jìn)行成像，使研究者能夠識(shí)別樣品邊緣的極化激元調(diào)制光學(xué)和光熱效應(yīng)。這項(xiàng)研究為了解石墨烯在不同磁場(chǎng)下的行為提供了重要見解和證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)表示，他們的發(fā)現(xiàn)有望推動(dòng)石墨烯在光學(xué)和光電領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)也為研究人員提供了更深入了解這種材料的機(jī)會(huì)。該項(xiàng)研究以Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene為題發(fā)表于頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊nature nanotechnology。

圖1: 200K溫度時(shí)，六方氮化硼hBN封裝石墨烯樣品的磁場(chǎng)相關(guān)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡m-SNOM和近場(chǎng)光電流、狄拉克磁激子DiME測(cè)量

圖2:在近電荷中性石墨烯中，在場(chǎng)調(diào)諧0→1朗道能級(jí)Landau levels躍遷區(qū)域的納米紅外圖像。

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)

該項(xiàng)研究得益于低溫近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)的創(chuàng)新。其中，超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool使該技術(shù)突破性的實(shí)現(xiàn)在高達(dá)7T的磁場(chǎng)下對(duì)二維材料的近場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行納米成像。這種方法使研究者能夠通過利用高磁場(chǎng)來探索和操縱低載流子摻雜的樣品中的磁極化子。OptiCool可以提供1.7K的低溫環(huán)境，振動(dòng)穩(wěn)定性更是低于10 nm。系統(tǒng)采用創(chuàng)新的雙錐形劈裂磁體，具有7T強(qiáng)磁場(chǎng)和超大的均勻區(qū)。樣品腔具有8個(gè)光學(xué)窗口，其中頂部光學(xué)窗口具有低至3 mm的近工作距離。該低溫設(shè)備推出以來促進(jìn)了多項(xiàng)光學(xué)探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低溫強(qiáng)磁場(chǎng)維度的拓展。這次低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的實(shí)現(xiàn)使得低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量手段更加豐富，對(duì)量子材料的研究更加深入。

圖3:作者公布的強(qiáng)磁場(chǎng)低溫近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡裝置示意圖

強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool 的其他整體話解決方案

除本次報(bào)到的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)外，基于OptiCool系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量有：低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的Pump-porbe測(cè)量、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)MOKE、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)拉曼&熒光、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)SHG。除了提供標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)系統(tǒng)，Quantum Design中國子公司與合作的技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以為中國用戶提供整體化解決方案。目前已經(jīng)可以提供的解決方案包括低溫強(qiáng)磁場(chǎng)MOKE、拉曼&熒光、二次諧波，并且可以實(shí)現(xiàn)多種方案光路的自動(dòng)化切換。

圖4:超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool

參考文獻(xiàn)：

[1]. Dapolito, M., Tsuneto, M., Zheng, W. et al. Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene. Nat. Nanotechnol. (2023).

原文鏈接https://doi.org/10.1038/s41565-023-01488-y

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1、超精準(zhǔn)全開放強(qiáng)磁場(chǎng)低溫光學(xué)研究平臺(tái)-OptiCool