超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool
超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool

超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool

    

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;89mm直径,84mm高度的超大样品空间、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。 

智能变温系统,具有7T强磁场、超高温度稳定性、超低震动、超低位置热漂移、超大数值孔径,是变温光学的理想系统,可将多种室温光学实验平移至变温、变磁场环境,实现真正的无缝衔接

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 (NA > 0.11)

                  1个顶部窗口 (NA > 0.7)

·  超大磁场:±7T

·  超低震动:<10nm 水平 峰-峰值

               <4nm 竖直 峰-峰值

·  超大空间:Φ89mm×84mm

·  精准控温:1.7K~350K全温区精准控温

·  新型磁体:双锥型劈裂磁体,同时满足超大磁场均匀区、大数值孔径的要求。


OptiCool样品舱为用户提供了自定义实验装置的工作台。当您准备开始实验时,样品舱可以方便地放入预接线的控温样品台。测量完成后,您可以很方便地用准备好的样品舱更换,进行下一个样品的测量。OptiCool标配16根引线,并且已经由接口面板经过热沉后引至样品室,引线最多可增加至80根。

   样品腔结构图


   多功能样品舱 




OptiCool应用领域:


· MOKE/低温MOKE

· 低温拉曼

· 低温光致发光 

· 紫外/红外反射&吸收

· 低温傅里叶红外

· 低温高压

· NV色心、空位荧光

· 纳米磁学 

· 探测器

· 量子光学

· 自旋电子学

......












■  超精准全开放强磁场低温光学研究平台在量子材料调控方面的应用


2020年8月,美国加州大学圣迭戈分校(UC San Diego)R. D. Averitt课题组在量子材料调控方面取得了重要进展。该研究工作利用超精准全开放强磁场低温光学研究平台所搭建的测量系统,通过低温磁场环境下的超快泵浦测量详细研究了GdTiO3钙钛矿材料在光激发下自旋与晶格相互作用以及磁性变化在不同时间尺度上的各种演化机制。这对于可应用于量子信息领域的钙钛矿类量子材料实现超快的量子调控十分重要。相关研究成果以“铁磁绝缘体GdTiO3中相干声子模的磁弹性耦合(Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferromagnetic insulator GdTiO3)”为题,刊登在PHYSICAL REVIEW B上。


图1. 测量设备与光路示意图(图片来源于R. D. Averitt教授关于本工作的公开报告)

 

图2. GdTiO3材料不同温度下的反射率泵浦测量,(a)反射率随时间的变化;(b)峰值反射率随温度变化;(c) 反射率在不同时间段的演变机制


GdTiO3在钙钛矿材料相图中处于铁磁-反铁磁的边缘区域,在基态时Gd磁晶格与Ti磁晶格成反铁磁耦合排列,材料表现出亚铁磁性,同时材料还是莫特-哈伯德绝缘体和轨道有序态。该研究工作在不同温度和不同磁场环境下对GdTiO3材料进行了时间分辨的反射率和磁光克尔测量。材料的反射率和克尔转角在飞秒、皮秒时间尺度上表现出了多种演化机制。针对在皮秒量级上的自旋-晶格相互作用机制,通过采用660 nm对应于Ti 3d-3d 轨道Mott-Hubbard带隙的光激发,对所得MOKE信号的分析可以得出,光激发首先扰乱了Ti离子磁晶格的排布,减弱了与Gd磁晶格的反铁磁耦合,使得材料的净磁矩增加。进而光激发所产生的热效应逐渐影响Gd磁晶格的稳定性使得材料的净磁矩减少。另外,实验观察到MOKE和反射率测量在皮秒尺度上都有相干振荡,且随着时间发生明显的红移。该振荡对应于光激发在材料中产生的应力波(相干声子)。通过分析得出,该应力波与材料的磁性也有密切的对应关系,表明通过声子与磁性的耦合来直接调控磁性也具有很大的可行性。

图3. 不同温度、不同磁场下时间分辨MOKE测量观察到的GdTiO3材料磁性的演变


   

图4. (a)光激发后磁矩演化的原理示意图;(b) 时间分辨MOKE测量观察到的相干振荡


该研究通过在变温变磁场条件下的时间分辨测量,清楚的观测到了GdTiO3在微观时间尺度上的磁性变化,通过分析详细解释了磁性演化的内在机制。这对于钙钛矿类量子材料的应用具有十分重大的意义。

 

■  超精准全开放强磁场低温光学研究平台在自旋极化测量方面的应用


美国西北大学Nathaniel P. Stern课题组利用OptiCool平台搭建了用于自旋极化时间分辨测量的泵浦测量系统并取得了一系列重要的数据,相关的研究成果正在发表过程中。以下数据来源于该课题组Jovan Nelson博士的公开报告。

图1. InSe在10K,6T环境下自旋进动极化随时间的变化


图2. InSe薄膜30K温度下自旋极化随时间的变化

 

■  超精准全开放强磁场低温光学研究平台在超快光学方面的应用


目前国内已经安装的首台设备已在清华大学投入使用,该设备将用于超快泵浦测量方向。我们将定期更新科研进展。


OptiCool以其优良的开放性能够满足多种低温强磁场光学测量的需求。打破了传统低温磁体的束缚,成为里程碑式的强磁场光学平台。该设备已经推出便获得了广泛好评。目前用户主要的应用方向是磁光测量超快测量方向。


1、时间分辨MOKE测量数据举例(D. J. LOVINGER, Phys. Rev. B 102, 085138 (2020))


图1,测量设备与光路示意图(图片来源于R. D. Averitt教授的公开报告)



图2,GdTiO3材料不同温度下的反射率泵浦测量,(a)反射率随时间的变化;(b)峰值反射率随温度变化;(c) 反射率在不同时间段的演变机制


图3,GdTiO3材料光激发后的磁矩演化,(a)光激发后磁矩演化的原理示意图;(b) 时间分辨MOKE测量观察到的相干振荡


1. D. J. LOVINGER et al. Magnetoelastic coupling to coherent acoustic phonon modes in the ferrimagnetic insulator GdTiO3, Phys. Rev. B 102, 085138 (2020)


国内用户举例:(排名不分先后)

清华大学

北京理工大学

北京量子信息科学研究院

中国科学技术大学

中国科学院大连化学物理研究所

南开大学

武汉理工大学

南方科技大学

燕山大学

国际用户举例:(排名不分先后)

普林斯顿大学(美国)

哈佛大学(美国)

加州大学伯克利分校(美国)

加州大学圣迭戈分校(美国)

西北大学(美国)

华盛顿大学(美国)

俄勒冈州立大学(美国)

纽约州立大学石溪分校(美国)

乔治梅森大学(美国)

马普微结构物理研究所 (德国)

哥廷根大学(德国)

国立材料研究所(日本)

OptiCool 设备介绍


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