Integra 湿式超导磁体系统

Integra 湿式超导磁体系统


配备液氮保护层的低损耗杜瓦,集成超导磁体,工作温度为1.5 K~300 K。

提供高达20 T的多种超导磁体系统,采用液氦冷却。

湿式系统通过低温液体实现4 K环境;样品温度范围为低于10 mK~300 K。


电学输运测量研究

强磁场和极低温环境下的霍尔效应和量子霍尔效应测量

扫描探针显微测量

湿式系统为灵敏的扫描探针显微测量提供低振动环境

自旋电子学研究

在强磁场和极低温环境中进行自旋操控和数据存储研究


主要特点


• 可选配标准18 T或20 T超导磁体,工作温度为4.2 K,磁体孔径为52 mm

• 低损耗杜瓦配备液氮保温层和超导磁体电极,有利于降低液氦蒸发

• 使用变温插件(VTI),变温范围为1.5~300 K(样品空间30 mm)或者1.5~200 K(样品空间37 mm)

• 磁体可与3He制冷机插件或极低温稀释制冷机(KelvinoxTLM)集成,低温可达15 mK以下

MercuryiPS

MercuryiPS是一款全面可配置的智能磁体电流源,可自动控制多种超导磁体,包括NMR、高场、束线和矢量旋转磁体系统。该电流源是双极性、高稳定度、四象限电流源,带有组合失超保护。通过对主要的高功率感应电阻的温度控制来防止输出电流漂移。通过TCP/IP, USB, RS232, 或选配的GPIB接口,可使用远程命令对MercuryiPS实现完全控制。


MercuryiTC


MercuryiTC是一款通用的低温环境控制仪。它的基本版本包含一个高分辨率单通道温度测量电路,支持所有的标准低温传感器(RuO2、cernox、硅二极管、铂、热偶和RhFe)。使用负温度系数传感器(NTC)在恒压模式下可得到低至250 mK以下的可靠精确温度测量,基本单元可实现80 W(40 V,2 A)的单一加热输出的PID回路配置控制。


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硅自旋量子比特测量

☛ 硅自旋量子比特凭借高集成能力成为量子计算的核心候选,但工业级 300 毫米工艺制备的量子比特能否复现学术原型的高保真性能,是其规模化应用的关键瓶颈。

☛ 该研究使用Quantum Design Oxford Integra 配备Kelvinox 稀释制冷机,结合门集合层析(GST)技术,对 300 毫米晶圆量产的硅双量子比特器件开展高保真操控与性能表征实验。

☛ Kelvinox 制冷机提供了 10 mK 极低温环境,有效抑制热噪声对量子比特自旋态的干扰,保障了单量子比特门、双量子比特 CZ 门及态制备与测量(SPAM)的高保真运行;基于该设备的稳定低温条件,实验实现了所有器件单 / 双量子比特操控保真度均超 99%,SPAM 保真度最高达 99.9%,并测得最长自旋寿命 T₁=9.5 s、 Hahn 回波相干时间 T₂^Hahn=1.9 ms。

☛ 该研究首次验证了工业级工艺制备硅自旋量子比特的高保真与可重复性,突破了量子比特规模化量产的性能瓶颈,为 CMOS 兼容量子计算机的工程化实现奠定了关键基础。

图1  器件 A 的双量子比特操控

Steinacker, P., Nature 646, 81–87 (2025).

超导材料研究

☛ 六方对称超导体因高旋转对称性具有涌现旋转对称性(ERS),其超导特性应近乎各向同性,但 Kagome 超导体 CsV₃Sb₅ 中电荷密度波序(CWD order)与超导序(SC order)的交织使其对称性破缺机制尚不明确。

☛ 该研究使用Quantum Design Oxford Integra 和Kelvinox稀释制冷机,结合矢量磁体系统,采用交流量热法,对 CsV₃Sb₅ 单晶的面内上临界场各向异性展开精准表征。

☛ Kelvinox提供低至 0.2 K 的极低温环境,有效抑制热噪声干扰,保障了超导电性的稳定观测与高精度比热测量;实验通过双轴磁场方向精准控制(精度优于 0.1°),首次发现面内上临界场同时存在六重和二重各向异性,且两种各向异性在接近临界温度(Tₙ=2.8 K)时仍保持稳健,突破标准金兹堡 - 朗道理论预测。

☛ 该研究首次获得六方超导体 ERS 破缺的热力学证据,揭示 CsV₃Sb₅ 存在多分量向列超导序参量,为理解 Kagome 晶格中超导与电荷密度波的耦合机制提供了关键实验支撑。

图2  不同温度下CsV₃Sb₅ 面内超导各向异性

1. Steinacker, Paul, et al. "Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity." Nature 646.8083 (2025): 81–87

2. van Diepen, Cornelis J., et al. "Electron cascade for distant spin readout." Nature Communication12.1 (2021): 77.

3. Fukushima, Kazumi, et al. "Violation of emergent rotational symmetry in the hexagonal Kagome superconductor CsV₃Sb₅."  Nature Communication 15.1 (2024): 2888.

4. Tanttu, Tuomo, et al. "Assessment of the errors of high-fidelity two-qubit gates in silicon quantum dots." Nature Physics 20.11 (2024): 1804-1809.

5. Lee, Gil-Ho, et al. "Ultimately short ballistic vertical graphene Josephson junctions." Nature Communication 6 (2015): 6181.

6. Cichorek, T., et al. "Detection of relativistic fermions in Weyl semimetal TaAs by magnetostriction measurements." Nature Communication 13.1 (2022): 3868.

7. Yoneda, J., et al. "Coherent spin qubit transport in silicon." Nature Communication 12.1 (2021): 4114.

8. Kostylev, Ivan, et al. "Uniaxial-strain control of nematic superconductivity in SrxBi2Se3." Nature Communication 11.1 (2020): 4152

9. Doron, A., et al. "The critical current of disordered superconductors near 0 K." Nature Communication11.1 (2020): 2667.

10. Bilmes, Alexander, et al. "Quantum sensors for microscopic tunneling systems." npj Quantum Inf. 7 (2021): 27.

11. Grams, Christoph P., et al. "Observation of chiral solitons in LiCuVO₄." Communications Physics 5 (2022): 37.

12. Grams, Christoph P., et al. "Evidence for polarized nanoregions from the domain dynamics in multiferroic LiCuVO₄."Scientific Reports 9.1 (2019): 4391.

13. Yang, Yikai, et al. "Cavity-magnon-polariton spectroscopy of strongly hybridized electro-nuclear spin excitations in LiHoF₄."Scientific Reports 14.1 (2024): 25227.

14. Lee, Gil-Ho, et al. "Continuous and reversible tuning of the disorder-driven superconductor–insulator transition in bilayer graphene."Scientific Reports 5 (2015): 13466.

15. Lisenfeld, Jürgen, et al. "Electric field spectroscopy of material defects in transmon qubits." npj Quantum Inf. 5 (2019): 105.

16. Park, Geon-Hyoung, et al. "Propagation of superconducting coherence via chiral quantum-Hall edge channels."Scientific Reports 7 (2017): 10953.

17. Park, Sungyu, et al. "Scaling analysis of field-tuned superconductor–insulator transition in two-dimensional tantalum thin films."Scientific Reports 7 (2017): 42969.

18. Bogan, Alex, et al. "Single hole spin relaxation probed by fast single-shot latched charge sensing." Communications Physics 2.1 (2019): 17.

19. Kim, Minsoo, et al. "Tuning Locality of Pair Coherence in Graphene-based Andreev Interferometers."Scientific Reports 5 (2015): 8715.

20. Dufouleur, J., et al. "Weakly-coupled quasi-1D helical modes in disordered 3D topological insulator quantum wires."Scientific Reports 7 (2017): 45276.

21. Yoon, Hojin, et al. "Axion haloscope using an 18 T high temperature superconducting magnet."Physical Review D 106.9 (2022): 092007.

22. Hanneke, D., et al. "Cavity control of a single-electron quantum cyclotron: Measuring the electron magnetic moment."Physical Review A 83.5 (2011): 052122.


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