研究背景

晶體的機械形變會對其物理性質產生深遠的影響。值得注意的是，即使是化學鍵幾何形狀很小的修改也可以完全改變磁交換相互作用的大小和符號，從而改變磁基態。來自華盛頓大學的徐曉棟教授課題組通過可以連續原位施加單軸張應力的裝置在低溫下使二維A型層狀反鐵磁半導體材料CrSBr產生了高達幾個百分點形變。利用該裝置，研究者實現了零磁場下應變誘導的可逆反鐵磁-鐵磁相變，及應變調控的自旋翻轉過程。該工作為二維材料的磁性和其他電子態的應變調控創造了機會。該工作于2022年1月20日發表在nature nanotechnology上。

該研究中涉及到了多種原位低溫光譜的測量。為這些低溫光學測量提供高穩定性低溫及磁場環境的正是目前光學低溫設備中的優秀代表：OptiCool-超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺和Montana超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器。

案例展示

? 低溫拉曼原位檢測應變大小——基于OptiCool的低溫拉曼測量

研究者利用新的應變裝置，通過對壓電陶瓷施加電壓來原位改變二維材料的單軸應變。為了估算CrSBr的應變大小，研究者比較了在應變區域和遠離間隙的非應變區域的拉曼光譜。為此，該團隊使用應變片異質結構校準了345 cm?1拉曼峰位(標記為P3)與壓電陶瓷所加電壓以及應變率之間的關系。校準得到的紅移率為~4.2 cm?1每1%應變，與第一原理計算預測的~4.4 cm?1每1%應變相一致。

圖1：原位可調應變裝置與拉曼測量應變率

圖2：應變誘導的反鐵磁-鐵磁相變

? 低溫PL光譜探測CrSBr磁性變化——基于Montana超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器的PL光譜測量

由于極向RMCD對面外磁性比較敏感，而CrSBr是面內的A型反鐵磁結構，因此用RMCD來測量磁性并不是一種好的方法，近期研究發現，激子光致發光（PL）和吸收譜對CrSBr的層間反鐵磁和鐵磁排列非常敏感。因此該工作中用低溫PL光譜研究了CrSBr不同應變下的磁性態。

圖3：應變誘導的磁相變前后與磁場相關的PL光譜

? 低溫RMCD探測CrSBr自旋翻轉過程——基于Montana定制型光學恒溫器的RMCD測量

在對CrSBr二維材料施加面外磁場時，自旋會逐漸翻轉至面外方向。研究者發現，應變會導致自旋翻轉過程發生劇烈的變化。利用低溫極向RMCD作為面外磁化的敏感探針，研究者測量了應力對自旋翻轉的影響。

圖4：應變調控的面外磁翻轉過程

總結

在此作中，研究者展示了新的技術手段以用來探測低溫下原位可調的單軸應變對二維材料和異質結的影響。利用這一技術，研究者實現了對層狀磁性半導體CrSBr磁性能前所未有的控制。研究結果表明利用自旋、電荷、晶格之間獨特的耦合作用可以用于制造二維器件，例如應力控制的磁阻開關、通過應變導致的磁性態反轉對稱性破缺實現調控二次諧波，或者零磁場下調控磁隧道結。利用應變的調控還可以擴展到范德瓦爾斯材料之外的其他二維材料、異質結、莫爾超晶格中，為應變調控開辟了廣闊的前景。

設備簡介

OptiCool超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺

OptiCool是Quantum Design于2018年2月最新推出的超精準全開放強磁場低溫光學研究平臺，創新獨特的設計方案確保樣品可以處于光路的關鍵位置。系統擁有3.8英寸超大樣品腔、雙錐型劈裂磁體，可在超大空間為您提供高達±7T的磁場。多達7個側面窗口、1個頂部超大窗口方便光線由各個方向引入樣品腔，高度集成式的設計讓您的樣品在擁有低溫磁場的同時擺脫大型低溫系統的各種束縛。

OptiCool是全干式系統，啟動和運行只需少量氦氣。全自動軟件控制實現一鍵變溫、一鍵變場、頂部窗口90°光路張角讓測量更便捷；專利控溫技術讓控溫更智能；新型磁體完美結合了超大均勻區與超大數值孔徑。OptiCool讓低溫光學實驗無限可能。

OptiCool技術特點：

全干式系統：完全無液氦系統，脈管制冷機

8個光學窗口：7個側面窗口，1個頂部窗口；可升級底部窗口

超大磁場：±7T

超低震動：<10 nm ?峰-峰值

超大空間：Φ89 mm×84 mm

精準控溫：1.7K~350K全溫區精準控溫

新型磁體：同時滿足超大磁場均勻區、大數值孔徑的要求

近工作距離：可選3 mm工作距離窗口或集成鏡頭方案

Montana超精細多功能無液氦低溫光學恒溫器

全球知名光學恒溫器制造商Montana Instruments多年來為低溫光學、量子信息等領域提供性能卓越的光學恒溫器而廣受好評。作為低溫光學恒溫器的旗艦產品，Montana Instruments最近推出了全新型號CryoAdvance系列。該系列的目標是助力科技工作者在先進材料和量子信息領域研究研究方面更進一步。

CryoAdvance 50新特色

自動控制：全新智能觸摸屏系統，“一鍵式操作”，實時顯示溫度、穩定性、真空度等多種指標；

模塊化設計：多種配置可選，快速滿足各種實驗需求，后續升級簡單；

多通道設計：基本配置已包含光學窗口+直流電學+高頻電學通道；

穩定性設計：新設計在變溫和振動穩定性上進一步優化。

CryoAdvance 50主要參數

自動控溫：3.2K - 350K 樣品臺

溫度穩定性：<10mK（峰-峰值）

震動穩定性：<5 nm（峰-峰值）

降溫時間：300K-4.2K ~2小時

樣品腔空間：Φ53 mm ×100 mm

光學窗口：5個光學窗口，可選光纖引入

水平光路高度：140 mm

窗口材料：多種材質可選

基本電學通道：20條直流通道

接口面板：雙RF接口+25DC接口

審核編輯 ：李倩