背景介紹

載流子之間的相互作用是凝聚態(tài)物理學(xué)的熱門(mén)研究和重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。調(diào)控這種相互作用的能力將有望調(diào)控復(fù)雜的電子相圖。近年來(lái)，二維莫爾超晶格已經(jīng)成為量子領(lǐng)域非常具體潛力的一個(gè)研發(fā)平臺(tái)。莫爾系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整層扭轉(zhuǎn)角、電場(chǎng)、莫爾載流子濃度和層間耦合，可以實(shí)現(xiàn)其物理參數(shù)的高度可調(diào)。

進(jìn)展概述

近期，Xiaodong XU（美國(guó)華盛頓大學(xué)）的研究小組報(bào)道了光激發(fā)可以高度調(diào)整莫爾捕獲載流子之間的自旋-自旋相互作用，從而產(chǎn)生WS₂/WSe₂莫爾超晶格中的鐵磁有序。該研究中，作者使用了德國(guó)attocube公司提供的ANPxyz101系列兼容低溫強(qiáng)磁場(chǎng)納米精度位移臺(tái)，以確保在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中精確控制樣品位置。文章以《Light-inducedferromagnetism in moirsuperlattices》為題，發(fā)表于Nature期刊。

圖1顯示了豐富的填充因子依賴(lài)的磁光響應(yīng)，在填充因子為?1時(shí)，RMCD顯示出超順磁樣響應(yīng)。當(dāng)空穴摻雜明顯減少（見(jiàn)圖1e）時(shí)，一個(gè)磁滯回線開(kāi)始出現(xiàn), 這是鐵磁性的標(biāo)志。在?1/3的填充因子（即每3個(gè)莫爾晶胞中有一個(gè)空穴）附近，隨著激子共振激發(fā)功率的增加，在磁圓二色性信號(hào)中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的磁滯回線。

圖1. WS₂/WSe₂異質(zhì)結(jié)中的磁圓二色性隨填充因子變化。a) 器件示意圖; b) PFM圖像，標(biāo)尺：20 nm; c) 反射譜隨偏置電壓變化 d-e) 磁圓二色（RMCD）隨填充因子變化

圖2a顯示了在1.6K溫度與填充因子為-1/3時(shí)RMCD信號(hào)與激光功率的關(guān)系。當(dāng)功率小于16 nW時(shí)，RMCD信號(hào)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系消失，表現(xiàn)為一條無(wú)特征的直線。當(dāng)功率增加到臨界閾值以上時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)滯回線。圖2b中零磁場(chǎng)下RMCD信號(hào)的強(qiáng)度隨激光功率的增加而增大，最終達(dá)到飽和。在低填充因子下，由于空穴距離更大固有磁相互作用明顯較弱。因此，在分?jǐn)?shù)填充因子為?1/3處出現(xiàn)的功率依賴(lài)的RMCD響應(yīng)表明，通過(guò)光學(xué)誘導(dǎo)的長(zhǎng)程自旋-自旋相互作用，出現(xiàn)了鐵磁序。磁滯回線寬度對(duì)光激發(fā)功率的依賴(lài)關(guān)系可以忽略不計(jì)，這意味著在溫度遠(yuǎn)低于居里溫度時(shí)，磁滯回線寬度主要由磁各向異性決定。如圖2c-d所示，隨著溫度的升高磁滯回線寬度減小，有效的居里溫度被確定為8K左右。

圖2. 在填充因子為-1/3的時(shí)候?qū)庵妈F磁性的觀察。a-b）1.6K溫度，不同激光功率下RMCD信號(hào)隨磁場(chǎng)變化。c-d）磁滯回線寬度與溫度的關(guān)系，激光功率103 nW

課題組進(jìn)一步在填充因子為?1/7下進(jìn)行了溫度與激光功率依賴(lài)性的RMCD測(cè)量（圖3）。圖3a顯示了在不同的激光功率下的測(cè)量結(jié)果。作者定義了一個(gè)臨界溫度Tc，超過(guò)這個(gè)溫度，RMCD的磁性響應(yīng)（心跳線形狀）就會(huì)消失。以253 nW光激發(fā)為例，心跳線形狀保持強(qiáng)至約40K。為了進(jìn)一步突出這一效應(yīng)，圖3b中繪制了提取的RMCD信號(hào)振幅與激發(fā)功率和溫度的變化關(guān)系。這些數(shù)據(jù)表明，一旦光激發(fā)功率足夠大，可以引入磁序，Tc可以從20K左右的調(diào)諧到45K。觀察到的現(xiàn)象指出了一種機(jī)制，其中光激發(fā)激子促成了莫爾捕獲空穴之間的交換耦合。這種激子促成的相互作用可能比莫爾捕獲空穴之間的直接耦合范圍更長(zhǎng)程，因此即使在稀空穴體系中也會(huì)出現(xiàn)磁序。這一發(fā)現(xiàn)為莫爾量子物質(zhì)的豐富的多體哈密頓量增加了一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)諧方案。

圖3. 利用光激發(fā)功率和填充因子調(diào)節(jié)磁態(tài)。a-d) RMCD信號(hào)強(qiáng)度與磁場(chǎng)、溫度、填充因子的關(guān)系圖; 圖a-b中填充因子為-1/7

值得指出的是，整個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在低溫及強(qiáng)磁場(chǎng)中進(jìn)行的。這其中關(guān)鍵的設(shè)備就是德國(guó)attocube公司提供的ANPxyz101系列兼容低溫強(qiáng)磁場(chǎng)納米精度位移臺(tái)，該位移臺(tái)能夠在極低溫環(huán)境下提供納米級(jí)的精確位移，成為整個(gè)變溫及磁場(chǎng)調(diào)控過(guò)程中精確控制樣品位置的關(guān)鍵設(shè)備。 attocube公司生產(chǎn)的位移器設(shè)計(jì)緊湊，體積小巧，種類(lèi)包括線性XYZ線性位移器、大角度傾角位移器、360度旋轉(zhuǎn)位移器和掃描器，并以穩(wěn)定而優(yōu)異的性能，原子級(jí)定位精度，納米位移步長(zhǎng)和厘米級(jí)位移范圍受到科學(xué)家的肯定和贊譽(yù)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于普通大氣環(huán)境和極丶端環(huán)境中，包括超高真空環(huán)境(5E-11mbar)、極低溫環(huán)境（10 mK）和強(qiáng)磁場(chǎng)中（31 T）。

圖4 attocube低溫強(qiáng)磁場(chǎng)位移器，掃描器

attocube低溫位移臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)如下：

參考文獻(xiàn)：

[1]. Xiaodong XU, et al. Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices. Nature  604, 468–473 (2022)

相關(guān)產(chǎn)品

1、mK極低溫納米精度位移臺(tái)

2、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)納米精度位移臺(tái)