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低温恒温器成功助力强磁场拉曼实现单层CrI3中二维磁振子的直接观测

更新时间:2020-09-23点击次数:1485

    对称性是影响物理系统各项性质的个基础因子。由于维度的降低,原子层厚度的范德华材料是研究对称性调控量子现象的天然平台。二维层状磁体材料中,磁序是对称性调控的个额外自由度。有鉴于此,近期,美国华盛顿大学的许晓栋教授课题组在《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。

    单层CrI3材料中存在两种自旋波(见图1),种是面内声学模式,另种是面外的光学模式。之前文章中理论预计该自旋波隙大约是0.3-0.4 meV(2.4-3.2 cm-1), 原则上可被拉曼光谱探测到。

图1. (a-b)单层CrI3材料的两种自旋波,a)面内声学模式,(b)面外光学模式;(c) 单层CrI3的反射磁圆二色性成像图(内置图左,单层CrI3的光学照片); (d-f)单层CrI3的低温强磁场拉曼光谱数据,磁场分别为0T, -4T, 4T。

    图1d数据显示在无磁场时候,由于瑞光的存在,拉曼光谱无法测到信号,而当施加强磁场时,低波数拉曼可以明显观测到拉曼信号(见图1e,1f)。并且通过分析,证实了测量得到的斯托克斯与反斯托克斯低波数拉曼信号*符合光学选择定则。

    通过分析拉曼峰随磁场变化的数据(图2a-b),研究者发现拉曼峰位与磁场强度成线性关系,分析表明拉曼信号反应的是二维材料CrI3的磁振子信息。计算得到单层CrI3在无磁场时的自旋波隙是2.4cm-1 (0.3meV),与理论预测*吻合。而拉曼信号随温度升高(见图2c),信号强度越来越弱。

图2. (a-b): 单层CrI3拉曼信号随磁场强度关系图。(c): 拉曼信号随温度变化图,磁场为-7T。(d): 单层CrI3中的光学选择定则示意图。

图3.  (a) 双层CrI3在6T下的拉曼光谱,(b): 双层CrI3拉曼信号随磁场强度关系图。(c): 双层CrI3拉曼光谱随磁场变化数据,在0.7T左右磁场有反铁磁与铁磁转变。

    双层CrI3与单层CrI3不同,双层CrI3中同时存在反铁磁与铁磁态。图3a是双层CrI3在6T磁场下的拉曼数据。双层CrI3在强磁场下表现类似铁磁态的单层CrI3,拉曼信号与磁场强度成线性关系(见图3b)。通过分析拉曼信号(见图3c)与磁圆二色性 (RMCD)信号,表明双层CrI3在在0.7T左右磁场有反铁磁与铁磁转变。

    文章中,作者使用了德国attocube公司的attoDRY2100低温恒温器来实现器件在低温度1.65K下通过磁场调控的低温拉曼光学实验。文章实验结果表明CrI3晶体是研究磁振子物理和对称性调控磁性器件的理想候选材料。

图4:低振动无液氦磁体与恒温器—attoDRY系列,超低振动是提供高分辨率与长时间稳定光谱的关键因素。https://qd-china.com/zh/pro/detail/3/1912041697862

attoDRY2100+CFM I主要技术点:

+ 应用范围广泛:  PL/EL/ Raman等光谱测量

+ 变温范围:1.8K - 300K

+ 空间分辨率:< 1 μm

+ 无液氦闭环恒温器

+ 工作磁场范围:0...9T (12T, 9T-3T,9T-1T-1T矢量磁体可选)

+ 低温消色差物镜NA=0.82

+ 精细定位范围: 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精细扫描范围:30 μm X 30 μm@4K

+ 可进行电学测量,配备标准chip carrier

+ 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

参考文献:

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

 

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