无液氦低温强磁场共聚焦显微镜-attoCFM

无液氦低温强磁场共聚焦显微镜-attoCFM

经过多年的发展,德国attocube公司生产的低温强磁场共聚焦显微镜attoCFM系统,成为了在纳米尺度研究量子点、量子器件光学性质的标准设备。

为提高图像质量,共聚焦显微镜需要在低温环境中工作,从而达到提高图像高分辨率、清晰光学谱图、锐化谱线和降低噪音的目的。同时,低温下散射和非辐射效应的减少,以及量子效率的提高,都有助于提高光学信号的强度,使得的研究发射能量与其他因素的关系成为可能。

attoCFM配备了全新的attoDRY系列无液氦的恒温器和磁场,以及全新扫描头attoCFM-MC。它简单易用,其模块化的设计满足了光学实验开放性与灵活性的要求。由于attoCFM可提供“温度、磁场、电场、光学与样品位置”各个实验参数的广泛变化范围,因此在科学实验领域的应用范围十分广泛。可以测量的样品种类包括量子点、一维纳米线、石墨烯、二维晶体材料等各种材料。应用领域涵盖量子、二维材料磁学、光学光致发光光谱、电致发光光谱、Raman光谱、光电流、电学输运性质研究等等范围。

attoCFM产品特点


无液氦,闭路可循环系统

> 超低振动,优异稳定性,可进行长时间实验测量

> 温度范围:1.8K-300K

> 磁场:7T, 9T,12T, 矢量磁体可选

> 工作真空:1×10-6mBar ~ 1大气压

> 共聚焦光学测量:光致发光/电致发光/光电流/拉曼

> 低温物镜: NA值0.82,低温消色差

> 光学分辨率:~550 nm

> 样品粗定位范围:5×5×5 mm3

> 扫描精细范围:30×30 μm2@4K

> 可升级:AFM/MFM/PFM/KPFM/ct-AFM/cryoRaman



attoCFM应用领域


二维磁性材料低温拉曼


二维材料光电流


高质量单光子源


量子计算机



attoCFM I


主要技术特点

+ 显微镜光路:最多三个光路(1个激发光路/1个探测光路/可选光路),每个光路中的光学部件可自由快速更换

+ 应用范围广泛,涵盖了从典型的CFM实验,到拉曼光谱测量等
+ 可升级到AFM/MFM/PFM/KPFM/ct-AFM/cryoRaman功能

+ 粗位移范围:5mm x 5mm x 5mm,4K

+ 精细扫描范围:30×30μm2 @4K,50×50μm2 @300K

+ 变温范围:1.8K-300K(取决于恒温器)

+ 兼容磁场,0-12T(取决于磁体)

+ 工作真空:1X10-6mbar - 1atm 

+ 兼容1"和2"孔径的恒温器和磁体,包括Quantum Design-PPMS

+ 低温物镜:NA=0.82,WD=0.7mm,confocal分辨率~550nm(@635nm激光)

+ 外置CCD,用于在低温下观测样品位置,视野范围75μm

+ 样品定位步长:0.05-3μm @ 300K; 10-500nm @ 4K

+ 变温范围:mK - 300K(取决于恒温器配置)



主要特点


■  极强的拓展性、灵活性和稳定性


光学头可配置双通道光路,简单易用,模块化的设计满足了光学实验开放性与灵活性的要求 。


左图:光学头配置


1. 准直器

2. FC/APC光纤接口

3. 分束器

4. 过滤器空位

5. 分束器可选立方块或者平板

6. 偏振分束器

7. 非偏振分束器

8. 过滤器空位

9. 反射镜

右图:共聚焦显微镜工作示意图,

光学头最多可配置三路光学通道。

 

1. FC/APC光纤接口

2. 准直器

3. 反射镜

4. 过滤器空位

5. 分束器

6. LED 灯

7. CCD相机

8. 分束器

9. 反射镜

10. 低温物镜

11. 样品

12. XYZ位移台 与 XY扫描器


■  attoCFM无液氦低温强磁场共聚焦显微镜面包板


定制面包板与attocube公司的低温恒温器attoDRY1000/2100完美结合,保证了光学实验的高度稳定性。因此,用户可以基于面包板搭建自由光路进行低温光学实验。



■  无液氦低温强磁场适用光学插杆


除了购买完整的CFM共聚焦显微镜,德国attocube公司也提供了光学插杆来方便专家学者自行搭建低温光学实验。


光学插杆包含:

-专利设计

-配置36 个电学接线

-顶部具有光学窗口(25mm直径)

-提供温度传感器与加热器

-位移器底座

-低温物镜固定架


■  特殊设计的低温消色差物镜


市场上通用的常温物镜在低温环境下会发生光轴变化,色差等等问题。德国attocube公司首次推出了可在低温磁场下使用的消色差物镜。特殊设计的低温物镜具有高数值孔径,收光效率高,优化光路后激光光斑直径小于1微米等特点。

左:高NA,消色差低温物镜;中:长工作距离,消色差低温物镜;右:非消色差低温物镜




■  attoCFM I 的两种配置:Faraday与Voigt Geometry


低温强磁场共聚焦显微镜的研究中,一般有磁场方向与样品表面垂直与平行两种实验架构。德国attocube公司的attoCFM I新设计的样品托与低温物镜结合可以有Faraday与Voigt Geometry两种配置(如下图)来实现磁场方向与样品表面垂直或者平行两种实验架构,以挖掘更多的样品性质。

上图:图左为Faraday Geometry(磁场方向与样品表面垂直),右图为Voigt Geometry(磁场方向与样品表面平行)


上图: Faraday Geometry与Voigt Geometry两种配置的光路图与样品托


■  低温共聚焦显微镜助力设计光电子器件的范德瓦尔斯界面


基于二维材料的范德瓦尔斯界面在光电子器件领域具有广泛的发展前景,不同材料组成的界面可以在很大程度上调控器件的发光光谱范围。然而,层间堆叠方式不同带来的晶格失配以及错位都会抑制电子与声子耦合作用,影响光电器件的工作效率。瑞士日内瓦大学的的Alberto F. Morpurgo 教授课题组在《自然-材料》杂志上发表了低温光致发光光谱研究设计范德瓦尔斯界面的工作。通过组合导带底部与价带顶部都在Γ点(倒格矢空间)的二维晶体材料,形成范德瓦尔斯界面,避免了动量失配。这样的范德瓦尔斯界面将不受光学跃迁与晶格常数、两层材料之间旋转角或者晶格错位的影响,为基于二维原子晶体的光电子器件的发展打下了重要的基础。


图1. 温度5K时双层InSe与双层WS2范德瓦尔斯界面的光致发光光谱

图2. 双层InSe与双层WS2范德瓦尔斯界面光谱随温度变化研究

 

参考文献:

[1]. Nicolas Ubrig  et al, Design of van der Waals interfaces for broad spectrum optoelectronics, Nature Materials,19,299–304 (2020) 




■  WSe2/WS2超晶格中的低温光电与磁光性质


20世纪60年代物理学家约翰·哈伯德提出的Hubbard模型是一个简单的量子粒子在晶格中相互作用的物理模型,该模型被用于描述高温超导,磁性绝缘体,复杂量子多体中的物理机制。Hubbard模型在二维材料中的验证可以当做是量子模拟器,用以解释强关联量子粒子中的问题。近期,美国康奈尔大学的Jie Shan课题组在《自然》杂志上发表了WSe2/WS2超晶格中的低温光电与磁光性质最新进展,验证了Hubbard模型在二维材料体系中的实用性。

文章通过对对角相排列的二硒化钨(WSe2)与二硫化钨(WS2)的研究,得到二维三角晶格Hubbard模型的相图。如图1a所示,由于双层WSe2/WS2的4%晶格失配而形成三角形的莫尔超晶格。通过调控双层WSe2/WS2器件的偏置电压来调控载流子浓度与填充因子,从而研究其电荷和磁性能。值得注意的是,WSe2/WS2之间的扭转角不同,两者的反射光谱展现出不同的性质(见图1d与图1e)。同时,在反射对比中观察到准周期调制,这可能与半整数莫尔代填充有关。


图1. 温度1.65K,WSe2/WS2超晶格反射光谱随载流子浓度调控变化图

图2.温度1.65K,WSe2/WS2超晶格圆偏振反射光谱随磁场变化

 



参考文献:

Yanhao Tang et al, Simulation of Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices, Nature, 579, 353–358(2020)





■  低温强磁场拉曼光学直接观测到二维材料单层CrI3中的磁振子


对称性是影响物理系统各项性质的一个基础因子。由于维度的降低,原子层厚度的范德华材料是天然的研究对称性调控量子现象的平台。二维层状磁体材料中,磁序是对称性调控的一个额外自由度。美国华盛顿大学的Xiaodong Xu课题组在《自然-物理》杂志上发表了低温强磁场拉曼光谱研究单层与双层CrI3晶体材料磁振子的工作,验证了对称性在二维材料体系中对磁振子的实际影响。

图1. 单层CrI3的低温强磁场拉曼光谱数据,磁场分别为0T, -4T, 4T

图2. 单层CrI3拉曼信号随磁场强度关系图


 

参考文献:

Xiaodong XU et al,Direct observation of two-dimensional magnons in atomically thin CrI3”,Nature Physics, (2020)




■  偏振微腔中寻求最佳单光子源


单光子源是未来量子信息器件的基础单元。先进的实现方法要求单光子源必须同时具有高效以及不可分辨性。为了优化固态单光子源,中国科技技术大学的潘建伟院士以及陆朝阳教授团队,展示了从椭圆微柱器件发出的无背景(双干涉激发)且具有不可分辨性的极性单光子源。实验中的光学测量,是基于德国attocube公司的无液氦闭循环低温恒温器attoDRY2100以及共聚焦显微镜attoCFM I进行的。通过测量,课题组展示了最前沿的椭圆微柱器件发出的极性单光子源具有60%的效率,并且不可分辨性高达0.975。该单光子源首次实现了20个光子的量子光学实验,寻求实现量子霸权。

上图: a) 椭圆微柱器件; b)器件发光光谱;c )光谱中M1,M2模式的极性研究


参考文献:

1. Chaoyang LU, et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities, Nature Photonics, 13, 770–775 (2019)

2. Chaoyang LU, et al. Coherently driving a single quantum two-level system with dichromatic laser pulses, Nature Physics, 15 , 941–946 (2019)





■  利用高品质量子点单光子源构建量子计算原型机


中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳等在量子计算机研究方面取得了里程碑式的突破,相关研究结果被国际权威学术期刊《自然光子学》接收。在光学体系,我国科学家团队首次实现利用高品质量子点单光子源构建了量子计算原型机,并且演示了其超越经典电子计算机(ENIAC)与晶体管计算机(TRADIC)的计算能力,向真正的“量子计算霸权”时代迈出了重要的一步。在此次量子计算实验中的单光子器件(高效率的单光子源)的制备,陆老师课题组使用了德国attocube公司的attoDRY系列低温恒温器低温位移台与扫描台低温物镜等设备。

上图:光量子计算机线路图


参考文献:Chaoyang LU et al., High-efficiency multiphoton boson sampling,Nature Photonics, 11, 361–365 (2017)





■  量子调控在芯片平台上实现基于二维材料的有序高效量子光源


无液氦闭循环低温恒温器attoDRY1100+attoCFM

 

来自史蒂文斯理工学院Stefan Strauf教授组报道了一种新的制备高效率量子发射器的方法,用于在芯片平台上创建大量的量子光源。该方法具有有序可控以及量子产率高的特点,不仅为不可破解的加密系统开发铺平道路,而且还为量子计算机的研发提供了可能的技术方案。该项工作成果发表在Nature Nanotechnology.

 

图1:在芯片上任意位置按需创建量子光源的示意图

 

蓝宝石衬底上分布了有序分布的金颗粒(立方体)阵列,单层WSe2被转移到衬底上,三氧化二铝分隔层与金镜子也被加入实验的设计。理论与实验证明了单光子发射器存在于每个金颗粒的四角处。实验发现单光子发射器实现了每秒发射4200万个光子,创历史新高。


参考文献:Nature Nanotechnology 13,1137–1142 (2018)

 




■  磁场光致发光谱表征二维晶体材料单光子发射性质


单光子发射是研究量子光学的核心技术。现有的单光子发光材料局限于一维与三维材料,二维材料中存在的单光子发射现象将为量子光学研究提供一个新的研究平台。

潘建伟院士课题组利用attocube公司的低温强磁场光学显微镜(attoCFM)研究发现了二维晶体材料单层二硒化钨(WSe2)中存在的由于缺陷态引起的单光子发射现象。首先,通过低温磁场下对微米尺寸单层样品的光致发光谱精细扫描成像可以发现样品某些位置存在超窄发光光谱。超快激光光致发光谱的测量研究证实了该处发光点为单光子发射。随着低温强磁场下(改变磁场,改变入射光左旋与右旋性质等实验技术)进一步对光致发光谱的表征发现在零磁场下样品存在0.71meV的能量差并且该材料中存在超大激子g参数。经过分析,该单光子发射很可能是由中性激子被缺陷态束缚在二维晶体中引起的。

作者预见该单光子发射中的物理机制的进一步证实与该材料中存在的超大激子g参数的理解都可能是未来很有挑战性的工作。该低温强磁场中的共聚焦光学技术很有希望帮助科学家更加深入的理解二维材料中的单光子发射现象,从而使量子光学技术(例如结合光子晶体来控制单光子的发射率)的实际应用成为可能。 

 

参考文献:He, Y.-M.; et al. Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature Nanotechnology 2015, 10, 497-502.





■  低温磁场Raman光谱研究石墨烯中磁声共振现象


石墨烯的发现为基础物理研究提供了一个二维材料的平台。石墨烯在磁场中的磁激子(能级间跃迁)与晶体中声子存在磁声共振现象,该现象的理解需要更多的实验来帮助分析。

Caiyu Qiu等人利用attocube公司的低温强磁场共聚焦光学显微镜(attoCFM)对石墨块衬底上的单层石墨烯进行了系统分析。结果表明,磁场下Raman光谱可以表征磁激子与石墨烯中声子的相互作用。具体地,低温下单层石墨烯的Raman光谱随着磁场发生了明显的变化。在磁场为4.65T左右的时候,由于磁声共振现象的存在,Raman光谱具有独立的三个峰存在。另外,把所有0-9T下不同磁场的光谱集合成光谱强度随磁场与光谱能量变化的二维图像可以发现,至少8个Raman活性且能量随磁场变化的磁激子被实验观察到。

作者还发现,不同质量(不同声子寿命,朗道能级寿命)的石墨烯样品有不同程度的磁声共振现象。该实验对高质量石墨烯样品的制备与石墨烯甚至其他二维晶体材料的广泛潜在应用会有巨大帮助。

 

 

参考文献:

1.Qiu, C.; Shen, X.; et al. Strong magnetophonon resonance induced triple G-mode splitting in graphene on graphite probed by micromagneto Raman spectroscopy. Physical Review B 2013, 88, 165407.

2.Faugeras, C.; et al. Magneto-Raman Scattering of Graphene on Graphite: Electronic and Phonon Excitations. Physical Review Letters 2011, 107, 036807.




■  低温强磁场下研究石墨烯中光电流产生机制

 

能带弯曲与载流子浓度非均一分布会影响载流子运动与散射,是影响量子霍尔效应的重要物理机制。可压缩与不可压缩载流子浓度已经被证实存在于石墨烯中,但是它们对石墨烯中量子霍尔效应的具体影响还需进一步研究。通过对石墨烯在低温磁场下的光电流成像分布的实验可以探究上述问题。

G.Nazin等人利用attocube公司低温强磁场共聚焦光学显微镜(attoCFM)研究了4.2K与9T磁场下的石墨烯中光电流分布,以及该分布随载流子浓度分布的具体变化。具体地,通过调节偏置电压可以调节载流子浓度,从而光电流分布也随之被调节。分析实验数据我们发现一般石墨烯中光电流随偏置电压成像结果是一个四页的区域分布。首先,通过改变载流子浓度可以改变填充因子,因此样品中载流子种类(电子或者空穴)被改变。另外由于电子与空穴的热载流子也同时存在于样品中,所以光电流所偏置电压的实验数据成像结果构成了一个四页区域。在样品为电学中性的时候,是一个特殊的区域,实际我们只观察到了一个两页的结果。此时,改变偏置电压不仅改变了载流子种类,而且改变了能带弯曲,因此光电流的极性没有受到改变。

综上所述,石墨烯中光电流受热载流子影响,同时也对填充因子十分敏感。作者预见,使用同样的低温磁场下光电流的方法去研究悬空石墨烯器件中的载流子性质能进一步加深对该现象的理解。 

 

参考文献:Nazin, G.; et al. Visualization of charge transport through Landau levels in graphene. Nature Physics 2010, 6, 870-874.




■  低温下研究半导体量子点中电场调制光致发光


量子点三个维度的尺寸大小都在百纳米以内,因而具有显著的量子限制效应。由于量子效应,量子点通常具有分立的能级而非连续能级。量子点被认为在太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。

K.Kleemans等人利用attocube公司的低温强磁场共聚焦显微镜研究了低温4.2K下半导体InAs/GaAs量子点中的电场调制光致发光现象。结果表明,半导体量子点的光致发光光谱能量随偏置电压的变化可以发生变化,在偏置电压为负0.3V的时候,量子点达到电中性并且发光光谱能量达到最大值。结合理论计算与实验数据分析,该量子点的光致发光机制主要存在两种(马汉激子与混合激子发光)。在负偏置电压下,引入空穴,量子点的两个空穴与单个费米电子的库伦作用形成马汉激子。在正偏置电压下,引入电子,引入电子与光子激发形成的电子空穴对形成混合激子。

该工作通过低温下电场调制的光致发光研究半导体量子点中的多体问题,进而开拓了一种有效研究近藤效应与固体材料中电子自旋相关光激发态的实验方法。作者预见,该实验结果对量子点在光电器件、量子信息技术等方面的实际应用具有重要的推动作用。


参考文献:Kleemans, N. A. J. M.; et al. Many-body exciton states in self-assembled quantum dots coupled to a Fermi sea. Nature Physics 2010, 6, 534-538.




■  石墨烯低温Raman拉曼测量


在(9T,4K)下对石墨烯进行磁-拉曼测量,结果表明E2g声子的共振杂化展现出非常丰富的拉曼散射谱,并随磁场强度发生显著变化。

上图显示了在发生杂化的E2g声子和(-2,+1)与(-1,+2)磁激发区域,拉曼谱随磁场的具体变化情况。通过以600nm分辨率对7umX7um区域和不同散射锋的测量(红移,声子中心峰位出现在5.3T),揭示了石墨烯在红移部分,图像发亮;而在E2g峰附近的拉曼散射图像发暗。

 



 

 更多应用案例,请您致电 010-85120277/78/79/80 或 写信至 info@qd-china.com 获取。 


•  Chaoyang Lu et.al, Coherently driving a single quantum two-level system with dichromatic laser pulses, Nature Physics, 15,941-945,(2019)

•  Chaoyang Lu et.al, Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities. Nature Photonics, 13, 770–775 (2019)

•  Shengwei JIANG, et al. Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets, Nature Materials 17, 406–410 (2018)

•  P. Maletinsky et. Al, Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy, Science, 364, 973 (2019)

•  Mingyuan Huang et.al, Magnetic Order-Induced Polarization Anomaly of Raman Scattering in 2D Magnet CrI3, Nano Letters, 2020,20,1, 729-734

•  Alexander Högele et. al, Cavity-control of interlayer excitons in van der Waals heterostructures, Nature communications, 2019,10:3697.

•  Stefan Strauf, et al. Deterministic coupling of site-controlled quantum emitters in monolayer WSe2 to plasmonic nanocavities. Nature Nanotechnology 13, 1137–1142 (2018)

•  Xiulai XU, et al. Two-Photon Rabi Splitting in a Coupled System of a Nanocavity and Exciton Complexes, Phys. Rev. Lett.120, 213901 (2018)

•  Alexander Högele, et al. Opto-valleytronic imaging of atomically thin semiconductors, Nature Nanotechnology 12, 329–334 (2017)

•  Chaoyang Lu et.al, High-efficiency multiphoton boson sampling. Nature Photonics, 11, 361-365, (2017)

•  Yang, W.;et al. Electrically Tunable Valley-Light Emitting Diode (vLED) Based on CVD-Grown Monolayer WS2. Nano Letters 2016, 16, 1560-1567.

•  Surajit Saha; et al. Long-range magnetic coupling across a polar insulating layer, Nature communications, 2016,7:11015.

•  He, Y. M.; et al. Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature Nanotechnology 2015, 10, 497-502.

 

 



attocube公司产品以其稳定的性能、极高的精度和良好的用户体验得到了国内外众多科学家的认可和肯定,在全球范围内有超过了130多位低温强磁场显微镜用户。attocube公司的产品在国内也得到了低温、超导、真空等研究领域著名科学家和研究组的欢迎......


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