全球疫情啼不住，科研已過萬重山

2020年疫情發生以來對社會生活和發展都帶來了巨大影響。然而在如此惡劣的環境下全球的科研工作者不僅沒有停下前進的腳步，而且國內外很多課題組都取得了不錯的科研成果。本文我們將概述疫情期間在低溫光學相關實驗方面幾個代表性科研成果。

1、三角晶格反鐵磁性材料Fe_1/3NbS₂中的三態向列性

將反鐵磁體(AFMs)應用于自旋電子學是近年來材料學研究的重點課題之，它有望獲得更快響應、更低閾值電流和更小尺寸的新型低能耗電子器件。

加州大學物理系的Joseph Orenstein團隊采用空間分辨光學偏振測量技術對Fe_1/3NbS₂晶體進行變溫測量，在反鐵磁奈爾溫度以下發現晶體中出現了三態向列性疇。作者通過光熱泵浦測量了向列性疇對溫度的敏感性。這發現說明反鐵磁材料在類液晶方面具有定的應用前景，對于新型材料的開發具有重要意義。

熱調制偏振旋轉測量的坐標圖與雙折射圖。a, 樣品不同區域的δ?表示樣品旋轉對稱性的破缺；b, 500 μm*900 μm 區域的雙折射圖，顯示了三個不同的向列性疇，其光學軸彼此夾角為120度^[1]

從實驗角度來講，進行空間分辨的高精度變溫光學偏振測量對于低溫設備要求較為苛刻。，低溫設備應具有超低震動和超高的位置穩定性；其次，設備應具有較近的工作距離，以方便進行高數值孔徑測量。在本篇文章中作者強調實驗采用了Montana Instruments生產的光學恒溫器，系統配備了近工作距離窗口。用此光學恒溫器作者非常方便的搭建了室溫物鏡的光學測量系統，得到了數據質量很好的實驗結果。

Montana光學恒溫器系統，為低溫光學實驗設計的低溫設備，上圖為S50型恒溫器系統

2、同位素碳化硅中單個核自旋的糾纏和控制

固態材料中的核自旋既是消相干的原因也是自旋比的來源。在這項工作中，芝加哥大學David D. Awschalom通過在碳化硅(SiC)中控制單個的²⁹Si核自旋，在個具有光學活性的空位自旋和強耦合的核寄存器之間創造了個糾纏態。此外，作者還展示了如何用SiC的同位素加工來實現弱耦合核自旋的控制，并提出了種First-Principles計算方法來預測至同位素分數，使可用核存儲器的數量至大化?？偟膩碚f，作者展示了在固態系統中控制核環境的重要性，實現了工業尺度材料中的單光子發射器與核寄存器的連接。

初始化、控制和糾纏強耦合核自旋，詳細內容請參考原文^[2]

該工作中對于單光子的觀測，作者使用了Montana Instruments生產的S100型光學恒溫器。實驗中采用了數值孔徑0.85的物鏡與單模光纖耦合的超導納米線單光子探測器。S100系統較大的樣品空間為該實驗提供了穩定的低溫環境。S100型光學恒溫器是為中等尺寸低溫環境需求而門設計的型號，相對于S50型恒溫器可以容納更多的光學組件和裝置，可以實現較為復雜的光學實驗方案。

Montana S100型光學恒溫器，可滿足更復雜的實驗方案，可集成物鏡

3、扭曲WSe₂/WSe₂雙層膜中電調控自旋谷動力學

不同于傳統材料，范德華異質結材料中的扭轉自由度為電學和光學性質的研究提供了個新的工具。哈佛大學物理系的Mikhail D. Lukin與Hongkun Park團隊證明了在過渡金屬二硫系化合物雙層膜中扭轉兩層材料的角度可以改變兩層中自旋谷的動量排列，從而實現對自旋谷性的控制。具體來說，在扭曲WSe₂/WSe₂雙層膜中作者觀察到層間激子在零電場和磁場下表現出高度的圓偏振（DOCP>60%）和較長的谷壽命(>40 ns)。并且通過靜電摻雜可以對谷壽命實現超過3個數量的調控，也可實現DOCP從n摻雜狀態的80%到p摻雜狀態的5%的調節。這些結果為可調手性光-物質相互作用開辟了新的途徑，使用谷自由度制造新器件方案成為可能。

通過扭曲來改變能帶結構a，布里淵區對齊和扭曲的側視圖；b，裝置的示意圖和光學圖片；c，不同扭轉角度樣品偏振PL光譜圖，X1為層間激發，X0為層內激發；d，由c圖計算得到的PL光譜偏振角度^[3]。

本工作中研究人員基于Montana光學恒溫器使用0.75數值孔徑的物鏡搭建了共聚焦顯微鏡系統，并使用該系統完成了高精度的光學測量。Montana恒溫器具有非常好的開放性和兼容性，研究人員幾乎可以忽略恒溫器對實驗的影響，可以直接將室溫的實驗方案平移到低溫環境中。

Montana光學恒溫器具有十分廣泛的兼容性可以滿足各種光學測量，上圖為變溫拉曼系統舉例

2020年至今，國內外的Montana光學恒溫器用戶發表了數篇論文，之前我們已報道過我國南京大學奚嘯翔教授發表在nature等^{[4, 5]}期刊上的變溫拉曼工作，同時我們還發現arXiv網站有數十篇文章，希望這些文章能夠早日正式刊發?？磥硭僚暗囊咔橐膊荒茏钃鮉ontana光學恒溫器用戶的科研步伐。正所謂，科研只爭朝夕間，儀器在手莫等閑，全球疫情啼不住，科研已過萬重山。

參考文獻：

[1]. Arielle Little et al, Three-state nematicity in the triangular lattice antiferromagnet Fe_1/3NbS₂, Nature Materials 19, 1062–1067 (2020)

[2]. Alexandre Bourassa et al, Entanglement and control of single nuclear spins in isotopically engineered silicon carbide, Nature Materials 19, 1319–1325(2020)

[3]. Giovanni Scuri et al, Electrically Tunable Valley Dynamics in Twisted WSe₂/WSe₂ Bilayers, Physical Review Letters, 124, 217403 (2020)

[4]. Guowen Yuan et al, Proton-assisted growth of ultra-flat graphene films, Nature volume 577, pages204–208(2020)

[5]. D. Lin et al, Patterns and driving forces of dimensionality-dependent charge density waves in 2H-type transition metal dichalcogenides, Nature Communications 11, 2406 (2020)