Nat. Nanotechnol.：范德华磁体中应变诱发的可逆磁相变—OptiCool、Montana低温光学设备大显神通

研究背景

晶体的机械形变会对其物理性质产生深远的影响。值得注意的是，即使是化学键几何形状很小的修改也可以完全改变磁交换相互作用的大小和符号，从而改变磁基态。来自华盛顿大学的徐晓栋教授课题组通过可以连续原位施加单轴张应力的装置在低温下使二维A型层状反铁磁半导体材料CrSBr产生了高达几个百分点形变。利用该装置，研究者实现了零磁场下应变诱导的可逆反铁磁-铁磁相变，及应变调控的自旋翻转过程。该工作为二维材料的磁性和其他电子态的应变调控创造了机会。该工作于2022年1月20日发表在nature nanotechnology上。

该研究中涉及到了多种原位低温光谱的测量。为这些低温光学测量提供高稳定性低温及磁场环境的正是目前光学低温设备中的优秀代表：OptiCool-超精 准全开放强磁场低温光学研究平台和Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器。

案例展示

☛ 低温拉曼原位检测应变大小——基于OptiCool的低温拉曼测量

研究者利用新的应变装置，通过对压电陶瓷施加电压来原位改变二维材料的单轴应变。为了估算CrSBr的应变大小，研究者比较了在应变区域和远离间隙的非应变区域的拉曼光谱。为此，该团队使用应变片异质结构校准了345 cm−1拉曼峰位(标记为P3)与压电陶瓷所加电压以及应变率之间的关系。校准得到的红移率为~4.2 cm−1每1%应变，与第 一原理计算预测的~4.4 cm−1每1%应变相一致。

图1：原位可调应变装置与拉曼测量应变率

图2：应变诱导的反铁磁-铁磁相变

低温PL光谱探测CrSBr磁性变化——基于Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器的PL光谱测量

由于极向RMCD对面外磁性比较敏感，而CrSBr是面内的A型反铁磁结构，因此用RMCD来测量磁性并不是一种好的方法，近期研究发现，激子光致发光（PL）和吸收谱对CrSBr的层间反铁磁和铁磁排列非常敏感。因此该工作中用低温PL光谱研究了CrSBr不同应变下的磁性态。

图3：应变诱导的磁相变前后与磁场相关的PL光谱

低温RMCD探测CrSBr自旋翻转过程——基于Montana定制型光学恒温器的RMCD测量

在对CrSBr二维材料施加面外磁场时，自旋会逐渐翻转至面外方向。研究者发现，应变会导致自旋翻转过程发生剧烈的变化。利用低温极限RMCD作为面外磁化的敏感探针，研究者测量了应力对自旋翻转的影响。

图4：应变调控的面外磁翻转过程

总结

在此作中，研究者展示了新的技术手段以用来探测低温下原位可调的单轴应变对二维材料和异质结的影响。利用这一技术，研究者实现了对层状磁性半导体CrSBr磁性能前所未有的控制。研究结果表明利用自旋、电荷、晶格之间独特的耦合作用可以用于制造二维器件，例如应力控制的磁阻开关、通过应变导致的磁性态反转对称性破缺实现调控二次谐波，或者零磁场下调控磁隧道结。利用应变的调控还可以扩展到范德瓦尔斯材料之外的其他二维材料、异质结、莫尔超晶格中，为应变调控开辟了广阔的前景。　

设备简介

OptiCool超精 准全开放强磁场低温光学研究平台

OptiCool是Quantum Design于2018年2月最 新推出的超精 准全开放强磁场低温光学研究平台，创新独特的设计方案确保样品可以处于光路的关键位置。系统拥有3.8英寸超大样品腔、双锥型劈裂磁体，可在超大空间为您提供高达±7T的磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口方便光线由各个方向引入样品腔，高度集成式的设计让您的样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。

OptiCool是全干式系统，启动和运行只需少量氦气。全自动软件控制实现一键变温、一键变场、顶部窗口90°光路张角让测量更便捷；专 利控温技术让控温更智能；新型磁体完 美结合了超大均匀区与超大数值孔径。OptiCool让低温光学实验无限可能。

OptiCool技术特点：

• 全干式系统：完全无液氦系统，脉管制冷机

• 8个光学窗口：7个侧面窗口，1个顶部窗口；可升级底部窗口

• 超大磁场：±7T

• 超低震动：<10 nm  峰-峰值

• 超大空间：Φ89 mm×84 mm

• 精 准控温：1.7K~350K全温区精 准控温

• 新型磁体：同时满足超大磁场均匀区、大数值孔径的要求

• 近工作距离：可选3 mm工作距离窗口或集成镜头方案

Montana超精细多功能无液氦低温光学恒温器

全 球知名光学恒温器制造商Montana Instruments多年来为低温光学、量子信息等领域提供性能卓 越的光学恒温器而广受好评。作为低温光学恒温器的旗舰产品，Montana Instruments最近推出了全新型号CryoAdvance系列。该系列的目标是助力科技工作者在先进材料和量子信息领域研究研究方面更进一步。

CryoAdvance 50新特色

• 自动控制：全新智能触摸屏系统，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标；

• 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单；

• 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道；

• 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。

CryoAdvance 50主要参数

• 自动控温：3.2K - 350K 样品台

• 温度稳定性：<10mK（峰-峰值）

• 震动稳定性：<5 nm（峰-峰值）

• 降温时间：300K-4.2K ~2小时

• 样品腔空间：Φ53 mm ×100 mm

• 光学窗口：5个光学窗口，可选光纤引入

• 水平光路高度：140 mm

• 窗口材料：多种材质可选

• 基本电学通道：20条直流通道

• 接口面板：双RF接口+25DC接口