背景介紹

載流子之間的相互作用是凝聚態物理學的熱門研究和重點關注對象。調控這種相互作用的能力將有望調控復雜的電子相圖。近年來，二維莫爾超晶格已經成為量子領域非常具體潛力的一個研發平臺。莫爾系統通過調整層扭轉角、電場、莫爾載流子濃度和層間耦合，可以實現其物理參數的高度可調。

進展概述

近期，Xiaodong XU（美國華盛頓大學）的研究小組報道了光激發可以高度調整莫爾捕獲載流子之間的自旋-自旋相互作用，從而產生WS₂/WSe₂莫爾超晶格中的鐵磁有序。該研究中，作者使用了德國attocube公司提供的ANPxyz101系列兼容低溫強磁場納米精度位移臺，以確保在低溫強磁場環境中精確控制樣品位置。文章以《Light-inducedferromagnetism in moirsuperlattices》為題，發表于Nature期刊。

圖1顯示了豐富的填充因子依賴的磁光響應，在填充因子為?1時，RMCD顯示出超順磁樣響應。當空穴摻雜明顯減少（見圖1e）時，一個磁滯回線開始出現, 這是鐵磁性的標志。在?1/3的填充因子（即每3個莫爾晶胞中有一個空穴）附近，隨著激子共振激發功率的增加，在磁圓二色性信號中出現了一個明顯的磁滯回線。

圖1. WS₂/WSe₂異質結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

圖2a顯示了在1.6K溫度與填充因子為-1/3時RMCD信號與激光功率的關系。當功率小于16 nW時，RMCD信號與磁場之間的關系消失，表現為一條無特征的直線。當功率增加到臨界閾值以上時，出現一個滯回線。圖2b中零磁場下RMCD信號的強度隨激光功率的增加而增大，最終達到飽和。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，在分數填充因子為?1/3處出現的功率依賴的RMCD響應表明，通過光學誘導的長程自旋-自旋相互作用，出現了鐵磁序。磁滯回線寬度對光激發功率的依賴關系可以忽略不計，這意味著在溫度遠低于居里溫度時，磁滯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2. 在填充因子為-1/3的時候對光致鐵磁性的觀察。a-b）1.6K溫度，不同激光功率下RMCD信號隨磁場變化。c-d）磁滯回線寬度與溫度的關系，激光功率103 nW

課題組進一步在填充因子為?1/7下進行了溫度與激光功率依賴性的RMCD測量（圖3）。圖3a顯示了在不同的激光功率下的測量結果。作者定義了一個臨界溫度Tc，超過這個溫度，RMCD的磁性響應（心跳線形狀）就會消失。以253 nW光激發為例，心跳線形狀保持強至約40K。為了進一步突出這一效應，圖3b中繪制了提取的RMCD信號振幅與激發功率和溫度的變化關系。這些數據表明，一旦光激發功率足夠大，可以引入磁序，Tc可以從20K左右的調諧到45K。觀察到的現象指出了一種機制，其中光激發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程，因此即使在稀空穴體系中也會出現磁序。這一發現為莫爾量子物質的豐富的多體哈密頓量增加了一個動態調諧方案。

圖3. 利用光激發功率和填充因子調節磁態。a-d) RMCD信號強度與磁場、溫度、填充因子的關系圖; 圖a-b中填充因子為-1/7

值得指出的是，整個實驗都是在低溫及強磁場中進行的。這其中關鍵的設備就是德國attocube公司提供的ANPxyz101系列兼容低溫強磁場納米精度位移臺，該位移臺能夠在極低溫環境下提供納米級的精確位移，成為整個變溫及磁場調控過程中精確控制樣品位置的關鍵設備。 attocube公司生產的位移器設計緊湊，體積小巧，種類包括線性XYZ線性位移器、大角度傾角位移器、360度旋轉位移器和掃描器，并以穩定而優異的性能，原子級定位精度，納米位移步長和厘米級位移范圍受到科學家的肯定和贊譽。產品廣泛應用于普通大氣環境和極丶端環境中，包括超高真空環境(5E-11mbar)、極低溫環境（10 mK）和強磁場中（31 T）。

圖4 attocube低溫強磁場位移器，掃描器

attocube低溫位移臺技術特點如下：

參考文獻：

[1]. Xiaodong XU, et al. Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices. Nature  604, 468–473 (2022)

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