频频获权威期刊提及的低温强磁场光学测量系统究竟是什么？近期又有两篇Nature正刊提到它！

发布日期：2025-09-23

近期，两篇发表于《Nature》正刊的研究成果，均提及了一款关键科研设备 ——低温强磁场光学测量系统。这款设备为何能成为量子材料研究领域的核心工具？其技术原理、应用价值及主流解决方案又有哪些特点？本文将根据近期发表案例展开深入解析。

一、光学测量的优势

近些年来随着物理和材料相关研究的深入，越来越多的学术研究工作中用到了低温环境下或者是低温强磁场环境下的光学测量。低温、强磁场环境在传统的材料学相关研究中已经是必不可少的测量条件，但是以前更多的是将低温和强磁场与电学测量相结合。随着量子材料研究的兴起，紧靠电学测量已无法满足科研的需求。将低温、强磁场与光学测量相结合已成为量子材料研究的全新探测工具。简单来说光学测量具有以下优势：

• 高能量分辨率： 可以精确测量能隙、声子能量、激子束缚能等；

• 高空间分辨率： 结合显微成像和显微光谱技术，可以对微米甚至纳米尺度的样品（如二维材料、纳米线、量子点）进行局域测量；

• 无损和非接触： 不需要制备电极，避免了电极接触对样品可能造成的污染或影响，特别适合容易被损坏的新材料；

• 丰富的信息维度： 光学测量可以获取能量、动量、偏振、寿命等多维信息。例如：偏振分辨测量可以探测晶格对称性和电子各向异性。时间分辨测量可以追踪超快的动力学过程。

低温强磁场光学测量手段的兴起，源于现代科学研究正走向极端条件和量子调控。科学家们不再满足于研究物质在常规环境下的性质，而是主动创造极端环境（低温、强场、高压），来揭示材料更深层次的、在常规条件下隐藏的量子特性。光学测量则像一双敏锐的“眼睛”，能够以无损、高分辨率的方式洞察这些量子现象。简单来说，低温消除了热噪声，强磁场能操控电子态，而光学测量则提供了高分辨率、无损的探测方式。三者结合，形成了研究量子现象无比重要的强大工具。

二、正刊案例：低温强磁场光学测量的实战突破

案例1. 转角双层二碲化钼（MoTe₂）材料中分数填充态的隐藏态及动力学行为

今年，哥伦比亚大学朱晓阳课题组在转角双层二碲化钼（MoTe₂）材料的特性研究中取得了重要成果。2025年4月3日，Nature以《Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe₂ bilayers》为题在线发表了该项研究的重要成果，Yiping Wang为改文章的第一作者，朱晓阳为通讯作者。

该课题组利用超快瞬态光学泵浦-探测光谱技术，系统探测和揭示了扭曲双层MoTe₂（tMoTe₂）莫尔超晶格中丰富的分数量子态，特别是在不同分数填充因子（如ν = -4/3、-3/2、-5/3、-7/3、-5/2、-8/3等）下出现的多达近20个隐藏的分数量子态。这些分数量子态被认为是具有潜在拓扑性质的强关联电子液体，可能对应阿贝尔或非阿贝尔的分数量子霍尔态、分数量子陈数绝缘体以及分数量子拓扑绝缘体等新奇拓扑相。

利用泵浦探针光谱对MoTe₂的隐藏态和分数填充进行测量

文章通过低温（约2 K）下的时间分辨光谱实验，揭示了这些分数量子态在皮秒尺度上的动态熔化与恢复过程，发现电子掺杂态和空穴掺杂态在熔化动力学上存在显著差异，电子态因层间杂化更强而熔化更快，空穴态则更局域且响应更慢。同时，研究还观察到了电子态与声子态的耦合及其对分数量子态动力学的影响，进一步通过泵浦功率、温度和磁场等多参数调控，深入解析了这些复杂多体态的物理机制。

该项研究取得了一些列突破性成果，首先，研究发现了多种隐藏的分数量子态，拓展了莫尔超晶格中拓扑量子相的种类和理解范围。其次，揭示了分数量子态的超快动力学特征，包括电子和声子机制的不同时间尺度的熔化与恢复过程。此外，该研究证明了时间域光谱技术在探测微弱、液态性质的分数量子态中的高灵敏度和特有优势，为未来实验检测和操控拓扑量子态提供了新方法。

总体而言，该研究凸显了了理论与前沿实验技术结合的重要性，不仅丰富了对扭曲双层MoTe₂中分数量子霍尔效应和拓扑相的认识，也为实现基于莫尔材料的拓扑量子器件奠定了实验基础。该项研究工作提到了超快泵浦测量是在Quantum Design的超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool中完成的。

【参考】Wang, Y., Choe, J., Anderson, E. et al. Hidden states and dynamics of fractional fillings in twisted MoTe2 bilayers. Nature  (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08954-8

案例2. NiI₂中p波磁体的电控转换

2025年5月，Nature在线刊登了又一突破性进展。美国麻省理工学院Riccardo Comin、Qian Song、美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校Rafael M. Fernandes团队创新性发现并系统阐明了在多铁性NiI₂中存在非相对论性（p波）奇数对称性的自旋极化。该研究结合二次谐波、拉曼光谱、线性二色性、光电流等多种测量与第一性原理计算和群理论分析，直接证明了自旋螺旋型II型多铁材料NiI₂的自旋极化具有与螺旋手性相关的奇宇称特征。这种对称性保护的耦合使得主要的非相对论性自旋极化可以通过电场进行控制。

NiI₂的激化翻转

圆偏振光光电流（CPGE）测量

该篇工作的重要意义在于以下几个方面。首先发现了NiI₂中非相对论性（p波）奇数对称性自旋极化，该自旋极化由螺旋自旋结构的手性决定，且不依赖强自旋轨道耦合。此外，研究人员实现了通过电场冷却控制自旋极化的开关，展示了多铁性NiI₂中自旋态的电压可控性。研究内容还揭示了自旋手性、铁电极化与光电流（CPGE）之间的耦合机制，为利用非相对论性自旋纹理实现能效高、自旋电子学器件提供了新思路。通过本研究工作，作者建立了稳定的多铁性域选择和CPGE测量方法，为后续研究和器件开发奠定了实验基础。本研究工作中SHG和拉曼测量是在Janis ST-500型恒温器中进行。线性二色性以及光电流的测量是在Quantum Design的超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool中进行的。

【参考】Song, Q., Stavrić, S., Barone, P. et al. Electrical switching of a p-wave magnet. Nature, 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09034-7

三、淡妆浓抹总相宜，低温、强磁场光学测量的灵活性、一站式解决方案

两篇重要工作中重要的光学测量部分都提到了OptiCool，而OptiCool为什么能够成为众多科学价的选择呢？OptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精准全开放强磁场低温光学研究平台，创新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，或者4T-1T-1T矢量磁场。多达7个侧面窗口、1个顶部超大窗口、1个底部窗口（可选），方便光线由各个方向引入样品腔。系统10 nm的超低振动特性能够为用户提供超稳定的显微光谱测量。已成为全球众多科研团队在低温强磁场光学测量方面的首选设备。针对用户的常用需求，Quantum Design公司目前可以提供一站式解决方案。

低温强磁场全光谱测量系统

Quantum Design采用模块化的光路搭建与控制技术，开发了多种整体化测量解决方案。为了提高设备的使用效率，系统支持多种光路的自动化切换，一套OptiCool即可满足不同的测量要求，实现多种光学测量功能。通过软件和步进马达实现光路自动化切换，避免了手动切换光路后需要反复调试的情况。整体化解决方案的推出使低温强磁场光学实验进入一键操控时代。

目前已经支持的实验方案有荧光，荧光寿命，拉曼光谱，偏振分辨二次谐波，光电流，磁光克尔、磁圆二色、角分辨、超快泵浦测量等可供用户选择。

此外，Quantum也针对不同的低温系统开发了全面的低温光谱测量系统，目前可提供的系统有：

• Montana超精细多功能无液氦低温光谱系统

• 基于综合物性测量系统PPMS DynaCool光学测试系统

• 基于Lake Shore Janis低温、磁场设备的光学测量系统

• 基于attocube超低震动无液氦磁体与恒温器的光学测量系统