載流子之間的多體相互作用是相關(guān)物理學(xué)的核心。調(diào)控這種相互作用的能力將有望調(diào)控復(fù)雜的電子相圖。近年來(lái)，二維莫爾超晶格已經(jīng)成為量子工程的一個(gè)前景研發(fā)平臺(tái)。莫爾系統(tǒng)的功能在于通過(guò)調(diào)整層扭轉(zhuǎn)角、電場(chǎng)、莫爾載流子濃度和層間耦合，實(shí)現(xiàn)其物理參數(shù)的高可調(diào)性。
由半導(dǎo)體過(guò)渡金屬雙鹵化合物(TMDs)形成的莫爾超晶格是一個(gè)新興的平臺(tái)，可探索高可調(diào)性相關(guān)效應(yīng)。結(jié)合強(qiáng)庫(kù)侖相互作用、三角摩爾幾何、強(qiáng)自旋軌道耦合和孤立的平坦電子帶，TMD異質(zhì)分子層是測(cè)試可調(diào)多體哈密頓數(shù)的理想平臺(tái)。事實(shí)上，在整數(shù)和分?jǐn)?shù)莫爾微帶填充下的相關(guān)絕緣狀態(tài)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明了。理論上，TMD莫爾平臺(tái)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)研究具有三角形或六邊形幾何形狀的經(jīng)典模型，以探索強(qiáng)相關(guān)的物理。通過(guò)改變現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)侖相互作用U和近鄰跳變參數(shù)t，預(yù)測(cè)了具有各種絕緣態(tài)、金屬態(tài)和奇異磁態(tài)和拓?fù)鋺B(tài)的多體相圖。
圖1. WS2/WSe2異質(zhì)結(jié)中的磁圓二色性隨填充因子變化。a) 器件示意圖; b) PFM圖像，標(biāo)尺：20 nm; c) 反射譜隨偏置電壓變化 d-e) 磁圓二色（RMCD）隨填充因子變化
近期，Xiaodong XU（美國(guó)華盛頓大學(xué)）的研究小組報(bào)道了光激發(fā)可以高度調(diào)整莫爾捕獲載流子之間的自旋-自旋相互作用，從而導(dǎo)致WS2/WSe2莫爾超晶格中的鐵磁順序。圖1顯示了豐富的填充因子依賴(lài)的磁光響應(yīng)，在填充因子為?1時(shí)，RMCD顯示出超順磁樣響應(yīng)。當(dāng)空穴摻雜明顯減少（見(jiàn)圖1e）時(shí)，一個(gè)磁滯回線開(kāi)始出現(xiàn), 這是鐵磁性的標(biāo)志。在?1/3的填充因子附近（即每3個(gè)莫爾晶胞中有一個(gè)空穴）附近，隨著激子共振激發(fā)功率的增加，在磁圓二色性信號(hào)中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的磁滯回線。
圖2. 在填充因子為-1/3的時(shí)候?qū)庵妈F磁性的觀察。a-b）1.6K溫度，不同激光功率下RMCD信號(hào)隨磁場(chǎng)變化。c-d）磁滯回線寬度與溫度的關(guān)系，激光功率103 nW。
圖2a顯示了在1.6K溫度與填充因子為-1/3的時(shí)RMCD信號(hào)與激勵(lì)光功率的關(guān)系。當(dāng)功率小于16 nW時(shí)，RMCD信號(hào)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系消失，表現(xiàn)為一條無(wú)特征的直線。當(dāng)功率增加到臨界閾值以上時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)滯回線。圖2b中零磁場(chǎng)下RMCD信號(hào)的強(qiáng)度隨激光功率的增加而增大，終達(dá)到飽和。在低填充因子下，由于空穴距離更大固有磁相互作用明顯較弱。因此，在分?jǐn)?shù)填充因子為?1/3處出現(xiàn)的功率依賴(lài)的RMCD響應(yīng)表明，通過(guò)光學(xué)誘導(dǎo)的長(zhǎng)程自旋-自旋相互作用，出現(xiàn)了鐵磁序。磁滯回線寬度對(duì)光激發(fā)功率的依賴(lài)關(guān)系可以忽略不計(jì)，這意味著在溫度遠(yuǎn)低于居里溫度時(shí)，磁回線寬度主要由磁各向異性決定。如圖2c-d所示，隨著溫度的升高磁滯回線寬度減小，有效的居里溫度被確定為8K左右。
圖3. 利用光激發(fā)功率和填充因子調(diào)節(jié)磁態(tài)。a-d) RMCD信號(hào)強(qiáng)度與磁場(chǎng)、溫度、填充因子的關(guān)系圖; 圖a-b中填充因子為-1/7.
課題組進(jìn)一步在填充因子為?1/7下進(jìn)行了溫度與激光功率依賴(lài)性的RMCD測(cè)量（圖3）。圖3a顯示了在不同的激光功率下的測(cè)量結(jié)果。 作者定義了一個(gè)臨界溫度Tc，超過(guò)這個(gè)溫度，RMCD的磁性響應(yīng)（心跳線形狀）就會(huì)消失。以253 nW光激發(fā)為例，心跳線形狀保持強(qiáng)至約40K。為了進(jìn)一步突出這一效應(yīng)，圖3b中繪制了提取的RMCD信號(hào)振幅與激發(fā)功率和溫度的變化關(guān)系。這些數(shù)據(jù)表明，一旦光激發(fā)功率足夠大，可以引入磁序，Tc可以從20K左右的調(diào)諧到45K。觀察到的現(xiàn)象指出了一種機(jī)制，其中光激發(fā)激子促成了莫爾捕獲空穴之間的交換耦合。這種激子促成的相互作用可能比莫爾捕獲空穴之間的直接耦合范圍更長(zhǎng)程，因此即使在稀空穴體系中也會(huì)出現(xiàn)磁序。這一發(fā)現(xiàn)為莫爾量子物質(zhì)的豐富的多體哈密頓量增加了一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)諧旋鈕。
以上的結(jié)果是借助于attoDRY2100低震動(dòng)無(wú)液氦磁體恒溫器獲得的，該低溫恒溫器可以與拉曼光譜、磁圓二色性、磁光克爾效應(yīng)和偏振熒光測(cè)量等多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合使用。
圖4：低振動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動(dòng)是提供高分辨率與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定光譜的關(guān)鍵因素。
attoDRY2100低恒溫器溫主要技術(shù)特點(diǎn)：
? 應(yīng)用范圍廣泛: PL/EL/ Raman/RMCD/MOKE等光譜測(cè)量
? 變溫范圍：1.8K - 300K
? 空間分辨率：< 1 mm
? 無(wú)液氦閉環(huán)恒溫器
? 工作磁場(chǎng)范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)
? 低溫消色差物鏡NA=0.82
? 精細(xì)定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K
? 精細(xì)掃描范圍：30 μm X 30 μm@4K
? 可進(jìn)行電學(xué)測(cè)量，配備標(biāo)準(zhǔn)chip carrier
? 可升到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能
參考文獻(xiàn)：
[1]. Xiaodong XU, et al. Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices. Nature604, 468–473 (2022)
相關(guān)產(chǎn)品
1、低震動(dòng)無(wú)液氦磁體與恒溫器-attoDRY
