超精細多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器

Montana Instruments新型超精細多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器*擺脫了液氦。*閉循環(huán)的制冷系統(tǒng)只需要少量的氦氣即可讓系統(tǒng)達到限低溫。系統(tǒng)具有超快降溫、超低震動和超高的溫度穩(wěn)定性。全自動化的控制軟件，簡化了用戶的操作流程。

Montana Instruments品種齊全的低溫系列產(chǎn)品以及功能性選件讓您的實驗具有無限的擴展空間。我們已經(jīng)將傳統(tǒng)的光學(xué)恒溫器發(fā)展成為涵蓋光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、表面科學(xué)等多個域的進實驗設(shè)備。

•  溫度范圍：3.2K-350K （無負載時低可達2.7K）

•  超低震動：峰-峰值5nm（RMS<1nm）

•  溫度穩(wěn)定性：大波動<10mK

•  降溫時間：~2小時

應(yīng)用域:

金剛石色心、量子計算、量子光學(xué)、腔量子電動力學(xué)、自旋電子學(xué)：磁光kerr效應(yīng)、單光子發(fā)射......

設(shè)備型號：

Cryostation系列產(chǎn)品列表

標準系統(tǒng) Cryostation® S50		中型系統(tǒng) Cryostation® S100		大型系統(tǒng) Cryostation®S200
高阻尼系統(tǒng)HILA Workstation		低溫顯微鏡Cryo-OPTIC® S50-CO		低溫顯微鏡Cryo-OPTIC®S100-CO
低溫磁光系統(tǒng)Magneto-Optic		高精度低溫微型MOKE Nano-MOKE		低溫鐵磁共振 Cryo-FMR

應(yīng)用案例

■  金剛石NV色心研究

金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers） 近年來在科研界被高度關(guān)注。NV色心*且穩(wěn)定的光學(xué)性使其擁有廣泛的應(yīng)用前景。在量子信息域，NV色心可以作為單光子源用于量子計算。NV色心作為具有量子敏感度的傳感設(shè)備，還可應(yīng)用于納米尺度磁場、電場、溫度、壓力的探測。在生物學(xué)域，NV色心是的生物標識物，具有光學(xué)性能穩(wěn)定，細胞毒性低的點。

Montana Instruments開發(fā)的低溫恒溫器門針對NV色心域研究需要而進行化，掃除了科研人員進入NV色心研究域的障礙。以下是低溫(4K)NV色心研究的實驗方案舉例。

1. 總體NV色心信號收集實驗

將磁性樣品覆蓋在表面具有較多的NV色心的塊體金剛石襯底上。這個NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來實現(xiàn)。通常采用532nm的激光激發(fā)NV色心到激發(fā)態(tài)，并在630-800nm波長范圍收集熒光信號。同時用微波信號激發(fā)和探測NV色心的自旋態(tài)（ESR）。熒光信號由二維的CCD探測陣列收集成像并與樣品相對應(yīng)。與單個NV色心的研究不同，該實驗方案采用大工作距離獲得大視野范圍的成像，從而實現(xiàn)大面積信號的采集。

CCD與顯微鏡成像

2. 單個NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

納米金剛石的單個NV色心探測可以通過共聚焦顯微技術(shù)來實現(xiàn)。實驗裝置包括三維低溫納米位移臺，Z方向可以精準調(diào)整樣品到焦平面，XY可以對樣品表面進行掃描。Montana Instrumentsli設(shè)計方案可以采用高數(shù)值孔徑物鏡對4K的樣品中的單個NV色心進行測量。系統(tǒng)的收集效率高、光斑直徑小，輕松聚焦單個NV色心。采用532nm激光激發(fā)，對630nm-800nm范圍的熒光信號進行采集。采用可調(diào)的微波信號對NV色心的自旋態(tài)進行激發(fā)，通過熒光信號的峰值位移來確定其自旋態(tài)。為了研究感興趣的區(qū)域，通常將金剛石粉末（20-30nm）均勻的撒在樣品表面，然后使用三維納米位移臺來掃描樣品并且對定NV色心進行測量。并且可以通過單個NV色心實現(xiàn)在較大溫度范圍內(nèi)對樣品的性質(zhì)進行觀測。

掃描共聚焦顯微鏡

Tokura課題組成功的運用此技術(shù)研究了FeGe樣品中的磁渦旋結(jié)構(gòu)。實驗細節(jié)請參考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

3. 掃描探針量子探測器(例如，掃描磁力顯微鏡)

我們將個NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端?？梢酝ㄟ^在針尖上“粘貼”納米金剛石，或采用納米壓印與O₂刻蝕技術(shù)將塊體金剛石加工成再用N-14注入來實現(xiàn)NV色心，現(xiàn)在甚至已經(jīng)有商業(yè)化的針尖。采用共聚焦顯微鏡將激發(fā)光聚焦在掃描探針的NV色心上。樣品可以通過低溫納米位移臺進行精確掃描。這樣便實現(xiàn)了對樣品表面的納米精度大范圍成像測量。該技術(shù)理論上可以對多種與NV色心熒光相關(guān)的性進行高精度顯微學(xué)測量。

掃描探針顯微鏡

Jayich課題組 (UCSB)運用這技術(shù)在BaFe2(As0.7P0.3)2 超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度附近（30K）成功觀測到了vortices。這技術(shù)在研究材料低溫下的新奇性質(zhì)方面前景廣闊。更多細節(jié)請參考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

■  高性能低溫恒溫器在量子計算中的應(yīng)用

Cryostation^®低溫恒溫器系統(tǒng)可為量子計算相關(guān)研究提供多種解決方案，豐富的可選配置與配件可以滿足各種實驗的需求，諸如離子阱、超導(dǎo)環(huán)、NV色心的高數(shù)值孔徑熒光觀測等。根據(jù)具體實驗需求Montana Instruments可以提供適合的配置方案。

量子計算實驗案例：RF離子阱

配置方案：高數(shù)值孔徑熒光讀出、多光學(xué)通道用于激光制冷、RF+DC電學(xué)通道用于制造qiu禁勢阱。

作為該實驗方案的核心，離子阱量子計算包括N個qiu禁離子。離子可以被qiu禁在泡（RF）阱或彭寧（磁場）阱中，每個qiu禁離子具有兩個態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)。這里我們簡單討論泡阱的情況，實驗上泡阱是通過在樣品上印制組具有殊幾何形狀的RF電產(chǎn)生限制電勢實現(xiàn)的。在設(shè)計好勢阱后我們通過激光燒蝕襯底產(chǎn)生個待qiu禁的離子（常用137Yb+），采用多普勒或Sisyphus冷卻方案用激光將高度激發(fā)狀態(tài)的離子冷卻至量子態(tài)。后再將離子導(dǎo)入精心設(shè)計的勢阱中。

待離子進入勢阱中，將他們在空間上隔開幾微米的距離，每個離子代表個量子比。量子比通過庫倫相互作用影響量子比的集體震蕩來實現(xiàn)耦合。每個量子比都通過與庫倫勢的“平行”或“反平行”將自己的局部態(tài)編碼進集體震動。這樣每個在維鏈上的量子比都實現(xiàn)了與其他每個量子比的耦合。

量子計算的通用“門”操作（CROT, SWAP以及內(nèi)部量子比態(tài)的任意翻轉(zhuǎn)）可以通過對量子比光激發(fā)來實現(xiàn)。對于137YB+離子鏈，jia波長為355nm。激光源的穩(wěn)定性尤為重要，激發(fā)頻率與電子的共振頻率要精確匹配（10KHz或更好），以防止其他臨近態(tài)的激發(fā)。紫外激光由于具有合適的波長與ji佳的頻率穩(wěn)定性常被用于半導(dǎo)體材料的維納加工，現(xiàn)在也成為量子計算的上佳選擇。

量子比在經(jīng)過系列量子算法的門操作后的量子態(tài)可以被讀出。qiu禁離子的量子態(tài)讀出是通過測量與量子態(tài)相關(guān)的熒光實現(xiàn)的。目前的研究通常用高數(shù)值孔徑的顯微鏡可以實現(xiàn)10%左右的收集效率。未來的量子計算可能會通過集成光學(xué)微腔的方案來提高熒光光子的收集效率，預(yù)計可以大于50%。該集成技術(shù)也可以推動可拓展與重構(gòu)的量子計算電路發(fā)展。

總的來說，設(shè)計和操縱個可靠的離子阱量子計算機需要1、穩(wěn)定的激光源與精準的頻率控制。2、有效且控制良好的RF電勢來定位與控制qiu禁離子。3、數(shù)字控制的空間分辨率很高的脈沖激光來制備、測量、操縱量子比。4、量子態(tài)的可靠探測與讀出。

Montana Instruments與科研人員共同設(shè)計的離子阱量子計算機

MI恒溫器與集成式單光子探測器有望提高離子阱的量子態(tài)讀出

參考文獻：

[1] ohnson, K. G. et al. Active Stabilization of Ion Trap Radiofrequency Potentials. Review of Scientific Instruments 87, 53110 (2016).

[2] Brown, K. R., Kim, J. & Monroe, C. Co-Designing a Scalable Quantum Computer with Trapped Atomic Ions. npj Quantum Information 16034 (2016).

[3] Debnath, S. et al. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature 536, 63–66 (2016).

[4] Steane, A. M. The Ion Trap Quantum Information Processor. Applied Physics B: Lasers and Optics 64, 623–643 (1997).

[5] Faraz Najafi et al. On-chip detection of non-classical light by scalable integration of single-photon detectors. Nat. commun,6:5873, 2015

■  高性能低溫恒溫器在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用

科研中MOKE常用來表征材料的電子和磁學(xué)征，例如磁疇結(jié)構(gòu)、自旋態(tài)密度、磁相變動力學(xué)。在高質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)和近期2D材料中的實驗進展表明，有望在集成的光子或自旋電子器件中用磁光效應(yīng)在納米尺度上加強對光的控制。

MOKE實驗需要靈活的光路與電學(xué)通道以及磁場環(huán)境。樣品需要個超穩(wěn)定的低溫環(huán)境并且能夠調(diào)整配置以適應(yīng)實驗需求的多種幾何光路。Cryostation基礎(chǔ)系統(tǒng)與成熟的選件庫可為MOKE提供多種解決方案。通過不同的搭配組合我們可以輕松實現(xiàn)磁光克爾效應(yīng)、光磁測量、光致發(fā)光、偏振分辨測量、自旋輸運與動力學(xué)、磁疇壁移動、磁阻研究、電學(xué)和高頻測量、輸運性質(zhì)等方面的研究。以下是部分低溫磁光克爾效應(yīng)實驗舉例：

1. 縱向磁光克爾效應(yīng)

在縱向MOKE的幾何光路中，磁場與樣品表面平行，樣品中的磁疇平行于磁場方向。激光光源通過偏振器實現(xiàn)設(shè)定的偏振。光線通過物鏡聚焦在樣品感興趣的區(qū)域上。入射光線與樣品的磁疇發(fā)生相互作用使得反射光線偏振方向改變。偏振方向改變的幅度與局部磁化的強度成比例。通過儀器接收并分析反射光線的克爾轉(zhuǎn)角就可以得到局部磁矩的方向和強度信息。這種測量方案所需的樣品環(huán)境可以在集成了雙性電磁鐵的低溫恒溫器中來實現(xiàn)，例如Cryostation與Magneto-Optic。

用縱向克爾效應(yīng)的宏觀磁疇圖像測量方案

2. 向磁光克爾效應(yīng)

在向克爾幾何光路中，磁場沿樣品表面的發(fā)現(xiàn)方向（適用于面外易磁化軸樣品）。此時磁化方向垂直于樣品表面，為了收集信號，入射激光需要垂直照射在樣品表面。與縱向克爾類似，入射激光的偏振方向在被磁性樣品表面反射時會發(fā)生輕微的偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的程度與局部磁疇的強度和方向有關(guān)。在Cryostation與Magneto-Optic裝置中，與縱向克爾相比，樣品旋轉(zhuǎn)了90°，并且在磁中間引入了個小的反射鏡來實現(xiàn)入射光線與磁場的平行以及與樣品表面的垂直。

 向MOKE宏觀磁疇測量方案

3. 時間分辨MOKE

可以用時間分辨（瞬態(tài)）的MOKE對脈沖磁場和脈沖電場驅(qū)動的磁疇壁移動進行動力學(xué)研究。舉例來說，可以對用于磁帶存儲器研究的磁性納米線中的磁疇壁移動進行測量。磁疇壁通常在預(yù)定的位置有電脈沖或磁脈沖注入納米線。用MOKE信號對納米線的局部進行探測，空間分辨率可于1um，時間分辨率可達到150fs。如果t=0時刻對應(yīng)于疇壁注入，對區(qū)域沿納米線進行延時脈沖掃描觀察MOKE信號的變化。MOKE信號的變化對應(yīng)磁疇壁移動所引起的磁性翻轉(zhuǎn)。通過測量納米線不同位置MOKE信號的變化時間可以計算出疇壁的移動速度。

時間分辨MOKE也可以用于研究自旋“群體”的壽命。用化的泵浦光對感興趣的材料進行自旋激發(fā)。用探測光進行延時掃描，MOKE信號的強弱可以計算自旋“群體”密度。自旋的“壽命”可以通過觀測自旋“群體”的密度來計算。Kawakami課題組（Ohio State University）用該方法對過渡族金屬二硫化物WS2在低溫（<6K）下進行了時間分辨克爾轉(zhuǎn)角測量（TRKR）。對比TRKR信號與顯微熒光，研究者發(fā)現(xiàn)強激子發(fā)光與高自旋密度之間的種意料之外的反相關(guān)關(guān)系。這發(fā)現(xiàn)為短時激子自旋角動量到長時導(dǎo)電電子自旋態(tài)轉(zhuǎn)化提供了新的見解。

時間分辨克爾效應(yīng)的原理與裝置圖

4. 強磁場（>1T）MOKE

華盛頓大學(xué)的Xu和Cobden 用7T的超導(dǎo)磁體與低溫設(shè)備，采用法拉第幾何光路測量磁場對光致發(fā)光化的影響對單層WSe2進行了研究。更多信息請閱讀：Magnetic Control of Valley Pseudospin: A Story of Symmetry.

參考文獻：

[1] Durham Magneto Optics Ltd & Beguivin, A. Characterization of the Montana Instruments Cryostation C2 for low temperature Magneto-Optical Kerr Effect measurements using the NanoMOKE 3.

[2] Bushong, E. J. et al. Imaging Spin Dynamics in Monolayer WS2 by Time-Resolved Kerr Rotation Microscopy. arXiv:1602.03568 [cond-mat] (2016).

[3] Aivazian, G. et al. Magnetic Control of Valley Pseudospin in Monolayer WSe2. Nature Physics 11, 148–152 (2015).

[4] Henn, T. et al. Ultrafast supercontinuum fiber-laser based pump-probe scanning MOKE microscope for the investigation of electron spin dynamics in semiconductors at cryogenic temperatures with picosecond time and micrometer spatial resolution. Review of Scientific Instruments 84, 123903 (2013).

用戶單位

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